Novel Inductor‐less Conversion Strategy Based on Multiphase Transformer‐Coupled Converters: Analysis, Design and Applications

There are many the requirements that modern power converters should fulfill. Most of the applications where these converters are used, demand smaller converters with high efficiency, improved power density and a fast dynamic response. For instance, loads like microprocessors demand aggressive current steps with very high slew rates (100A/mus and higher); besides, during these load steps, the supply voltage of the microprocessor should be kept within tight limits in order to ensure its correct performance. The accomplishment of these requirements is not an easy task; complex solutions like advanced topologies - such as multiphase converters- as well as advanced control strategies are often needed. Besides, it is also necessary to operate the converter at high switching frequencies and to use capacitors with high capacitance and low ESR. Improving the dynamic response of power converters does not rely only on the control strategy but also the power topology should be suited to enable a fast dynamic response. Moreover, in later years, a fast dynamic response does not only mean accomplishing fast load steps but output voltage steps are gaining importance as well. At least, two applications that require fast voltage changes can be named: Low power microprocessors. In these devices, the voltage supply is changed according to the workload and the operating frequency of the microprocessor is changed at the same time. An important reduction in voltage dependent losses can be achieved with such changes. This technique is known as Dynamic Voltage Scaling (DVS). Another application where important energy savings can be achieved by means of changing the supply voltage are Radio Frequency Power Amplifiers. For example, RF architectures based on ‘Envelope Tracking’ and ‘Envelope Elimination and Restoration’ techniques can take advantage of voltage supply modulation and accomplish important energy savings in the power amplifier. However, in order to achieve these efficiency improvements, a power converter with high efficiency and high enough bandwidth (hundreds of kHz or even tens of MHz) is necessary in order to ensure an adequate supply voltage. The main objective of this Thesis is to improve the dynamic response of DC-DC converters from the point of view of the power topology. And the term dynamic response refers both to the load steps and the voltage steps; it is also interesting to modulate the output voltage of the converter with a specific bandwidth. In order to accomplish this, the question of what is it that limits the dynamic response of power converters should be answered. Analyzing this question leads to the conclusion that the dynamic response is limited by the power topology and specifically, by the filter inductance of the converter which is found in series between the input and the output of the converter. The series inductance is the one that determines the gain of the converter and provides the regulation capability. Although the energy stored in the filter inductance enables the regulation and the capability of filtering the output voltage, it imposes a limitation which is the concern of this Thesis. The series inductance stores energy and prevents the current from changing in a fast way, limiting the slew rate of the current through this inductor. Different solutions are proposed in the literature in order to reduce the limit imposed by the filter inductor. Many publications proposing new topologies and improvements to known topologies can be found in the literature. Also, complex control strategies are proposed with the objective of improving the dynamic response in power converters. In the proposed topologies, the energy stored in the series inductor is reduced; examples of these topologies are Multiphase converters, Buck converter operating at very high frequency or adding a low impedance path in parallel with the series inductance. Control techniques proposed in the literature, focus on adjusting the output voltage as fast as allowed by the power stage; examples of these control techniques are: hysteresis control, V 2 control, and minimum time control. In some of the proposed topologies, a reduction in the value of the series inductance is achieved and with this, the energy stored in this magnetic element is reduced; less stored energy means a faster dynamic response. However, in some cases (as in the high frequency Buck converter), the dynamic response is improved at the cost of worsening the efficiency. In this Thesis, a drastic solution is proposed: to completely eliminate the series inductance of the converter. This is a more radical solution when compared to those proposed in the literature. If the series inductance is eliminated, the regulation capability of the converter is limited which can make it difficult to use the topology in one-converter solutions; however, this topology is suitable for power architectures where the energy conversion is done by more than one converter. When the series inductor is eliminated from the converter, the current slew rate is no longer limited and it can be said that the dynamic response of the converter is independent from the switching frequency. This is the main advantage of eliminating the series inductor. The main objective, is to propose an energy conversion strategy that is done without series inductance. Without series inductance, no energy is stored between the input and the output of the converter and the dynamic response would be instantaneous if all the devices were ideal. If the energy transfer from the input to the output of the converter is done instantaneously when a load step occurs, conceptually it would not be necessary to store energy at the output of the converter (no output capacitor COUT would be needed) and if the input source is ideal, the input capacitor CIN would not be necessary. This last feature (no CIN with ideal VIN) is common to all power converters. However, when the concept is actually implemented, parasitic inductances such as leakage inductance of the transformer and the parasitic inductance of the PCB, cannot be avoided because they are inherent to the implementation of the converter. These parasitic elements do not affect significantly to the proposed concept. In this Thesis, it is proposed to operate the converter without series inductance in order to improve the dynamic response of the converter; however, on the other side, the continuous regulation capability of the converter is lost. It is said continuous because, as it will be explained throughout the Thesis, it is indeed possible to achieve discrete regulation; a converter without filter inductance and without energy stored in the magnetic element, is capable to achieve a limited number of output voltages. The changes between these output voltage levels are achieved in a fast way. The proposed energy conversion strategy is implemented by means of a multiphase converter where the coupling of the phases is done by discrete two-winding transformers instead of coupledinductors since transformers are, ideally, no energy storing elements. This idea is the main contribution of this Thesis. The feasibility of this energy conversion strategy is first analyzed and then verified by simulation and by the implementation of experimental prototypes. Once the strategy is proved valid, different options to implement the magnetic structure are analyzed. Three different discrete transformer arrangements are studied and implemented. A converter based on this energy conversion strategy would be designed with a different approach than the one used to design classic converters since an additional design degree of freedom is available. The switching frequency can be chosen according to the design specifications without penalizing the dynamic response or the efficiency. Low operating frequencies can be chosen in order to favor the efficiency; on the other hand, high operating frequencies (MHz) can be chosen in order to favor the size of the converter. For this reason, a particular design procedure is proposed for the ‘inductorless’ conversion strategy. Finally, applications where the features of the proposed conversion strategy (high efficiency with fast dynamic response) are advantageus, are proposed. For example, in two-stage power architectures where a high efficiency converter is needed as the first stage and there is a second stage that provides the fine regulation. Another example are RF power amplifiers where the voltage is modulated following an envelope reference in order to save power; in this application, a high efficiency converter, capable of achieving fast voltage steps is required. The main contributions of this Thesis are the following: The proposal of a conversion strategy that is done, ideally, without storing energy in the magnetic element. The validation and the implementation of the proposed energy conversion strategy. The study of different magnetic structures based on discrete transformers for the implementation of the proposed energy conversion strategy. To elaborate and validate a design procedure. To identify and validate applications for the proposed energy conversion strategy. It is important to remark that this work is done in collaboration with Intel. The particular features of the proposed conversion strategy enable the possibility of solving the problems related to microprocessor powering in a different way. For example, the high efficiency achieved with the proposed conversion strategy enables it as a good candidate to be used for power conditioning, as a first stage in a two-stage power architecture for powering microprocessors.

Three-level cell topology for a multilevel power supply to achieve High

This paper presents an envelope amplifier solution for envelope elimination and restoration (EER), that consists of a series combination of a switch-mode power supply (SMPS), based on three-level voltage cells and a linear regulator. This cell topology offers several advantages over a previously presented envelope amplifier based on a different multilevel topology (two-level voltage cells). The topology of the multilevel converter affects to the whole design of the envelope amplifier and a comparison between both design alternatives regarding the size, complexity and the efficiency of the solution is done. Both envelope amplifier solutions have a bandwidth of 2 MHz with an instantaneous maximum power of 50 W. It is also analyzed the linearity of the three-level cell solution, with critical importance in the EER technique implementation. Additionally, considerations to optimize the design of the envelope amplifier and experimental comparison between both cell topologies are included.

Power management techniques in an FPGA-Based WSN node for high performance application

In this work, the power management techniques implemented in a high-performance node for Wireless Sensor Networks (WSN) based on a RAM-based FPGA are presented. This new node custom architecture is intended for high-end WSN applications that include complex sensor management like video cameras, high compute demanding tasks such as image encoding or robust encryption, and/or higher data bandwidth needs. In the case of these complex processing tasks, yet maintaining low power design requirements, it can be shown that the combination of different techniques such as extensive HW algorithm mapping, smart management of power islands to selectively switch on and off components, smart and low-energy partial reconfiguration, an adequate set of save energy modes and wake up options, all combined, may yield energy results that may compete and improve energy usage of typical low power microcontrollers used in many WSN node architectures. Actually, results show that higher complexity tasks are in favor of HW based platforms, while the flexibility achieved by dynamic and partial reconfiguration techniques could be comparable to SW based solutions.

High Efficiency Envelope Amplifier Using The Slow-Envelope Technique

High efficiency envelope amplifiers are demanded in EER technique for RF transmitters, which benefits low maintaining cost or long battery time. The conventional solution is a dc-dc switching converters. This dc-dc converter should operate at very high frequency to track an envelope in the MHz range to supply the power amplifier. One of the alternative circuits suitable for this application is a hybrid topology composed of a switched converter and a linear regulator in series that work together to adjust the output voltage to track the envelope with accuracy. This topology can take advantage of the reduced slew-rate technique (also called slow-envelope technique) where switching dc-dc converter provides the RF envelope with limited slew rate in order to avoid high switching frequency and high power losses, while the linear regulator performs fine adjustment in order to obtain the exact replica of the RF envelope. The combination of this control technique with this topology is proposed in this paper. Envelopes with different bandwidth will be considered to optimize the efficiency of the dc-dc converter.

3D Frangi-based lung vessel enhancement filter penalizing airways

This paper describes a fully automatic simultaneous lung vessel and airway enhancement filter. The approach consists of a Frangi-based multiscale vessel enhancement filtering specifically designed for lung vessel and airway detection, where arteries and veins have high contrast with respect to the lung parenchyma, and airway walls are hollow tubular structures with a non negative response using the classical Frangi's filter. The features extracted from the Hessian matrix are used to detect centerlines and approximate walls of airways, decreasing the filter response in those areas by applying a penalty function to the vesselness measure. We validate the segmentation method in 20 CT scans with different pathological states within the VESSEL12 challenge framework. Results indicate that our approach obtains good results, decreasing the number of false positives in airway walls.

High data rate modulation of high power 1060-nm DBR tapered lasers with separate contacts

Direct optical modulation at 2.5 Gb/s with amplitude of more than 0.5 W has been demonstrated in single longitudinal mode distributed Bragg reflector tapered lasers emitting at 1060 nm with separated injection of the ridge waveguide and tapered sections. The modulating signal of ~110 mA peak to peak was applied to the ridge waveguide section, yielding a high modulation efficiency of ~5 W/A. The large-signal frequency response of the experimental set-up was limited by the bandwidth of the electrical amplifier rather than by the internal dynamics of the laser, indicating that higher bit rates could be achieved with improved driving electronics.

Modelling and Control of Stepper Motors for High Accuracy Positioning Systems Used in Radioactive Environments

Hybrid Stepper Motors are widely used in open-loop position applications. They are the choice of actuation for the collimators in the Large Hadron Collider, the largest particle accelerator at CERN. In this case the positioning requirements and the highly radioactive operating environment are unique. The latter forces both the use of long cables to connect the motors to the drives which act as transmission lines and also prevents the use of standard position sensors. However, reliable and precise operation of the collimators is critical for the machine, requiring the prevention of step loss in the motors and maintenance to be foreseen in case of mechanical degradation. In order to make the above possible, an approach is proposed for the application of an Extended Kalman Filter to a sensorless stepper motor drive, when the motor is separated from its drive by long cables. When the long cables and high frequency pulse width modulated control voltage signals are used together, the electrical signals difer greatly between the motor and drive-side of the cable. Since in the considered case only drive-side data is available, it is therefore necessary to estimate the motor-side signals. Modelling the entire cable and motor system in an Extended Kalman Filter is too computationally intensive for standard embedded real-time platforms. It is, in consequence, proposed to divide the problem into an Extended Kalman Filter, based only on the motor model, and separated motor-side signal estimators, the combination of which is less demanding computationally. The efectiveness of this approach is shown in simulation. Then its validity is experimentally demonstrated via implementation in a DSP based drive. A testbench to test its performance when driving an axis of a Large Hadron Collider collimator is presented along with the results achieved. It is shown that the proposed method is capable of achieving position and load torque estimates which allow step loss to be detected and mechanical degradation to be evaluated without the need for physical sensors. These estimation algorithms often require a precise model of the motor, but the standard electrical model used for hybrid stepper motors is limited when currents, which are high enough to produce saturation of the magnetic circuit, are present. New model extensions are proposed in order to have a more precise model of the motor independently of the current level, whilst maintaining a low computational cost. It is shown that a significant improvement in the model It is achieved with these extensions, and their computational performance is compared to study the cost of model improvement versus computation cost. The applicability of the proposed model extensions is demonstrated via their use in an Extended Kalman Filter running in real-time for closed-loop current control and mechanical state estimation. An additional problem arises from the use of stepper motors. The mechanics of the collimators can wear due to the abrupt motion and torque profiles that are applied by them when used in the standard way, i.e. stepping in open-loop. Closed-loop position control, more specifically Field Oriented Control, would allow smoother profiles, more respectful to the mechanics, to be applied but requires position feedback. As mentioned already, the use of sensors in radioactive environments is very limited for reliability reasons. Sensorless control is a known option but when the speed is very low or zero, as is the case most of the time for the motors used in the LHC collimator, the loss of observability prevents its use. In order to allow the use of position sensors without reducing the long term reliability of the whole system, the possibility to switch from closed to open loop is proposed and validated, allowing the use of closed-loop control when the position sensors function correctly and open-loop when there is a sensor failure. A different approach to deal with the switched drive working with long cables is also presented. Switched mode stepper motor drives tend to have poor performance or even fail completely when the motor is fed through a long cable due to the high oscillations in the drive-side current. The design of a stepper motor output fillter which solves this problem is thus proposed. A two stage filter, one devoted to dealing with the diferential mode and the other with the common mode, is designed and validated experimentally. With this ?lter the drive performance is greatly improved, achieving a positioning repeatability even better than with the drive working without a long cable, the radiated emissions are reduced and the overvoltages at the motor terminals are eliminated.

High-fidelity piezoelectric loudspeaker

This project reports on a literature review about piezoelectric loudspeakers and on an experimental research about how to improve some features of a particular horned piezoelectric tweeter. The work involves an investigation of the performance and principle of operation of piezoelectric loudspeakers to understand how the sound is generated and what its main parameters are. Also, previous research papers about how to improve this type of speakers are reported. The knowledge gained was used to reconsider and re-purpose a particular piezoelectric transducer. After characterising the original state of the device with acoustical and electroacoustical measurements, some improvements were implemented. Moreover, interesting conclusions were reached based on the results of the tests that were carried out. A structural study with a scanning laser was then completed. These sections demonstrated the need for providing the speaker with a rear suspension that guides the vibration of the membrane. Finally, an inverse filter was designed in order to get a flat output response. After simulating the results with Matlab, validating experiments were run in the anechoic chamber with great success. RESUMEN. Este proyecto consta de un estudio detallado sobre piezoelectricidad y altavoces piezoeléctricos, así como de una parte experimental consistente en mejorar algunas características de un altavoz piezoeléctrico particular: un tweeter de bocina. El estudio profundiza en cuáles son los principios de funcionamiento y los principales parámetros de este tipo de altavoces. Con el conocimiento adquirido a partir de trabajos de previos sobre el tema e investigación bibliográfica se ha llevado a cabo la parte experimental. Esta parte ha requerido de una serie de medidas acústicas y electroacústicas para, primero, caracterizar el altavoz en su estado original y para posteriormente buscar y validar posibles mejoras, principalmente en la respuesta en frecuencia. Además, se ha realizado un estudio estructural del diafragma a partir de medidas tomadas con un vibrómetro laser Doppler. De estos tres procesos se concluyó que el altavoz bajo estudio tiene un problema en el soporte del cristal piezoeléctrico y se demostró la necesidad de equipar el dispositivo de una suspensión trasera que controle el movimiento del diafragma. Finalmente, se ha diseñado e implementado en Matlab un filtro inverso, con el objetivo de conseguir una respuesta plana a la salida del altavoz. Su funcionamiento fue validado en la cámara anecoica satisfactoriamente.

Large aperture antenna arrays with subband delay compensation for reception of wideband satellite signals

Con esta disertación se pretenden resolver algunos de los problemas encontrados actualmente en la recepción de señales de satélites bajo dos escenarios particularmente exigentes: comunicaciones de Espacio Profundo y en banda Ka. Las comunicaciones con sondas de Espacio Profundo necesitan grandes aperturas en tierra para poder incrementar la velocidad de datos. La opción de usar antennas con diámetro mayor de 35 metros tiene serios problemas, pues antenas tan grandes son caras de mantener, difíciles de apuntar, pueden tener largos tiempo de reparación y además tienen una efeciencia decreciente a medida que se utilizan bandas más altas. Soluciones basadas en agrupaciones de antenas de menor tamaño (12 ó 35 metros) son mas ecónomicas y factibles técnicamente. Las comunicaciones en banda Ka tambien pueden beneficiarse de la combinación de múltiples antennas. Las antenas de menor tamaño son más fáciles de apuntar y además tienen un campo de visión mayor. Además, las técnicas de diversidad espacial pueden ser reemplazadas por una combinación de antenas para así incrementar el margen del enlace. La combinación de antenas muy alejadas sobre grandes anchos de banda, bien por recibir una señal de banda ancha o múltiples de banda estrecha, es complicada técnicamente. En esta disertación se demostrará que el uso de conformador de haz en el dominio de la frecuencia puede ayudar a relajar los requisitos de calibración y, al mismo tiempo, proporcionar un mayor campo de visión y mayores capacidades de ecualización. Para llevar esto a cabo, el trabajo ha girado en torno a tres aspectos fundamentales. El primero es la investigación bibliográfica del trabajo existente en este campo. El segundo es el modelado matemático del proceso de combinación y el desarrollo de nuevos algoritmos de estimación de fase y retardo. Y el tercero es la propuesta de nuevas aplicaciones en las que usar estas técnicas. La investigación bibliográfica se centra principalmente en los capítulos 1, 2, 4 y 5. El capítulo 1 da una breve introducción a la teoría de combinación de antenas de gran apertura. En este capítulo, los principales campos de aplicación son descritos y además se establece la necesidad de compensar retardos en subbandas. La teoría de bancos de filtros se expone en el capítulo 2; se selecciona y simula un banco de filtros modulado uniformemente con fase lineal. Las propiedades de convergencia de varios filtros adaptativos se muestran en el capítulo 4. Y finalmente, las técnicas de estimación de retardo son estudiadas y resumidas en el capítulo 5. Desde el punto de vista matemático, las principales contribución de esta disertación han sido: • Sección 3.1.4. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en pasos discretos en frecuencia intermedia. • Sección 3.2. Modelo matemático de un conformador de haz en subbandas. • Sección 3.2.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz en subbandas con un buffer de retardo grueso. • Sección 3.2.4. Análisis de la influencia de los alias internos en la compensación en subbandas de retardo y fase. • Sección 3.2.4.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en subbandas. • Sección 3.2.6. Cálculo de la ganancia de relación señal a ruido de la agrupación de antenas en cada una de las subbandas. • Sección 3.3.2. Modelado de la función de transferencia de la agrupación de antenas bajo errores de estimación de retardo. • Sección 3.3.3. Modelado de los efectos de derivas de fase y retardo entre actualizaciones de las estimaciones. • Sección 3.4. Cálculo de la directividad de la agrupación de antenas con y sin compensación de retardos en subbandas. • Sección 5.2.6. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase y el retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos estacionarios. • Sección 5.5.1. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase, el retardo y la deriva de retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos no estacionarios. Las aplicaciones que se pueden beneficiar de estas técnicas son descritas en el capítulo 7: • Sección 6.2. Agrupaciones de antenas para comunicaciones de Espacio Profundo con capacidad multihaz y sin requisitos de calibración geométrica o de retardo de grupo. • Sección 6.2.6. Combinación en banda ancha de antenas con separaciones de miles de kilómetros, para recepción de sondas de espacio profundo. • Secciones 6.4 and 6.3. Combinación de estaciones remotas en banda Ka en escenarios de diversidad espacial, para recepción de satélites LEO o GEO. • Sección 6.3. Recepción de satélites GEO colocados con arrays de antenas multihaz. Las publicaciones a las que ha dado lugar esta tesis son las siguientes • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. En esta pulicación se resumen los resultados de las secciones 3.2, 3.2.2, 3.3.2, los algoritmos en las secciones 5.2.6, 5.5.1 y la aplicación destacada en 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. En esta segunda se muestran los resultados de la sección 3.2.4, el algoritmo en la sección 5.2.6.1 , y la aplicación mostrada en 6.3. ABSTRACT This dissertation is an attempt to solve some of the problems found nowadays in the reception of satellite signals under two particular challenging scenarios: Deep Space and Ka-band communications. Deep Space communications require from larger apertures on ground in order to increase the data rate. The option of using single dishes with diameters larger than 35 meters has severe drawbacks. Such antennas are expensive to maintain, prone to long downtimes, difficult to point and have a degraded performance in high frequency bands. The array solution, either with 12 meter or 35 meter antennas is deemed to be the most economically and technically feasible solution. Ka-band communications can also benefit from antenna arraying technology. The smaller aperture antennas that make up the array are easier to point and have a wider field of view allowing multiple simultaneous beams. Besides, site diversity techniques can be replaced by pure combination in order to increase link margin. Combination of far away antennas over a large bandwidth, either because a wideband signal or multiple narrowband signals are received, is a demanding task. This dissertation will show that the use of frequency domain beamformers with subband delay compensation can help to ease calibration requirements and, at the same time, provide with a wider field of view and enhanced equalization capabilities. In order to do so, the work has been focused on three main aspects. The first one is the bibliographic research of previous work on this subject. The second one is the mathematical modeling of the array combination process and the development of new phase/delay estimation algorithms. And the third one is the proposal of new applications in which these techniques can be used. Bibliographic research is mainly done in chapters 1, 2, 4 and 5. Chapter 1 gives a brief introduction to previous work in the field of large aperture antenna arraying. In this chapter, the main fields of application are described and the need for subband delay compensation is established. Filter bank theory is shown in chapter 2; a linear phase uniform modulated filter bank is selected and simulated under diverse conditions. The convergence properties of several adaptive filters are shown in chapter 4. Finally, delay estimation techniques are studied and summarized in chapter 5. From a mathematical point of view, the main contributions of this dissertation have been: • Section 3.1.4. Calculation of beam squint of an IF beamformer with delay compensation at discrete time steps. • Section 3.2. Establishment of a mathematical model of a subband beamformer. • Section 3.2.2. Calculation of beam squint in a subband beamformer with a coarse delay buffer. • Section 3.2.4. Analysis of the influence of internal aliasing on phase and delay subband compensation. • Section 3.2.4.2. Calculation of beam squint of a beamformer with subband delay compensation. • Section 3.2.6. Calculation of the array SNR gain at each of the subbands. • Section 3.3.2. Modeling of the transfer function of an array subject to delay estimation errors. • Section 3.3.3. Modeling of the effects of phase and delay drifts between estimation updates. • Section 3.4. Calculation of array directivity with and without subband delay compensation. • Section 5.2.6. Development of an algorithm to estimate relative delay and phase between two signals from their subband decomposition in stationary environments. • Section 5.5.1. Development of an algorithm to estimate relative delay rate, delay and phase between two signals from their subband decomposition in non stationary environments. The applications that can benefit from these techniques are described in chapter 7: • Section 6.2. Arrays of antennas for Deep Space communications with multibeam capacity and without geometric or group delay calibration requirement. • Section 6.2.6. Wideband antenna arraying over long distances, in the range of thousands of kilometers, for reception of Deep Space probes. • Sections 6.4 y 6.3. Combination of remote stations in Ka-band site diversity scenarios for reception of LEO or GEO satellites. • Section 6.3. Reception of GEO collocated satellites with multibeam antenna arrays. The publications that have been made from the work in this dissertation are • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. This article shows the results in sections 3.2, 3.2.2, 3.3.2, the algorithms in sections 5.2.6, 5.5.1 and the application in section 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. This second article shows among others the results in section 3.2.4, the algorithm in section 5.2.6.1 , and the application in section 6.3.

Diseño de algoritmos de guerra electrónica y radar para su implementación en sistemas de tiempo real

Esta tesis se centra en el estudio y desarrollo de algoritmos de guerra electrónica {electronic warfare, EW) y radar para su implementación en sistemas de tiempo real. La llegada de los sistemas de radio, radar y navegación al terreno militar llevó al desarrollo de tecnologías para combatirlos. Así, el objetivo de los sistemas de guerra electrónica es el control del espectro electomagnético. Una de la funciones de la guerra electrónica es la inteligencia de señales {signals intelligence, SIGINT), cuya labor es detectar, almacenar, analizar, clasificar y localizar la procedencia de todo tipo de señales presentes en el espectro. El subsistema de inteligencia de señales dedicado a las señales radar es la inteligencia electrónica {electronic intelligence, ELINT). Un sistema de tiempo real es aquel cuyo factor de mérito depende tanto del resultado proporcionado como del tiempo en que se da dicho resultado. Los sistemas radar y de guerra electrónica tienen que proporcionar información lo más rápido posible y de forma continua, por lo que pueden encuadrarse dentro de los sistemas de tiempo real. La introducción de restricciones de tiempo real implica un proceso de realimentación entre el diseño del algoritmo y su implementación en plataformas “hardware”. Las restricciones de tiempo real son dos: latencia y área de la implementación. En esta tesis, todos los algoritmos presentados se han implementado en plataformas del tipo field programmable gate array (FPGA), ya que presentan un buen compromiso entre velocidad, coste total, consumo y reconfigurabilidad. La primera parte de la tesis está centrada en el estudio de diferentes subsistemas de un equipo ELINT: detección de señales mediante un detector canalizado, extracción de los parámetros de pulsos radar, clasificación de modulaciones y localization pasiva. La transformada discreta de Fourier {discrete Fourier transform, DFT) es un detector y estimador de frecuencia quasi-óptimo para señales de banda estrecha en presencia de ruido blanco. El desarrollo de algoritmos eficientes para el cálculo de la DFT, conocidos como fast Fourier transform (FFT), han situado a la FFT como el algoritmo más utilizado para la detección de señales de banda estrecha con requisitos de tiempo real. Así, se ha diseñado e implementado un algoritmo de detección y análisis espectral para su implementación en tiempo real. Los parámetros más característicos de un pulso radar son su tiempo de llegada y anchura de pulso. Se ha diseñado e implementado un algoritmo capaz de extraer dichos parámetros. Este algoritmo se puede utilizar con varios propósitos: realizar un reconocimiento genérico del radar que transmite dicha señal, localizar la posición de dicho radar o bien puede utilizarse como la parte de preprocesado de un clasificador automático de modulaciones. La clasificación automática de modulaciones es extremadamente complicada en entornos no cooperativos. Un clasificador automático de modulaciones se divide en dos partes: preprocesado y el algoritmo de clasificación. Los algoritmos de clasificación basados en parámetros representativos calculan diferentes estadísticos de la señal de entrada y la clasifican procesando dichos estadísticos. Los algoritmos de localization pueden dividirse en dos tipos: triangulación y sistemas cuadráticos. En los algoritmos basados en triangulación, la posición se estima mediante la intersección de las rectas proporcionadas por la dirección de llegada de la señal. En cambio, en los sistemas cuadráticos, la posición se estima mediante la intersección de superficies con igual diferencia en el tiempo de llegada (time difference of arrival, TDOA) o diferencia en la frecuencia de llegada (frequency difference of arrival, FDOA). Aunque sólo se ha implementado la estimación del TDOA y FDOA mediante la diferencia de tiempos de llegada y diferencia de frecuencias, se presentan estudios exhaustivos sobre los diferentes algoritmos para la estimación del TDOA, FDOA y localización pasiva mediante TDOA-FDOA. La segunda parte de la tesis está dedicada al diseño e implementación filtros discretos de respuesta finita (finite impulse response, FIR) para dos aplicaciones radar: phased array de banda ancha mediante filtros retardadores (true-time delay, TTD) y la mejora del alcance de un radar sin modificar el “hardware” existente para que la solución sea de bajo coste. La operación de un phased array de banda ancha mediante desfasadores no es factible ya que el retardo temporal no puede aproximarse mediante un desfase. La solución adoptada e implementada consiste en sustituir los desfasadores por filtros digitales con retardo programable. El máximo alcance de un radar depende de la relación señal a ruido promedio en el receptor. La relación señal a ruido depende a su vez de la energía de señal transmitida, potencia multiplicado por la anchura de pulso. Cualquier cambio hardware que se realice conlleva un alto coste. La solución que se propone es utilizar una técnica de compresión de pulsos, consistente en introducir una modulación interna a la señal, desacoplando alcance y resolución. ABSTRACT This thesis is focused on the study and development of electronic warfare (EW) and radar algorithms for real-time implementation. The arrival of radar, radio and navigation systems to the military sphere led to the development of technologies to fight them. Therefore, the objective of EW systems is the control of the electromagnetic spectrum. Signals Intelligence (SIGINT) is one of the EW functions, whose mission is to detect, collect, analyze, classify and locate all kind of electromagnetic emissions. Electronic intelligence (ELINT) is the SIGINT subsystem that is devoted to radar signals. A real-time system is the one whose correctness depends not only on the provided result but also on the time in which this result is obtained. Radar and EW systems must provide information as fast as possible on a continuous basis and they can be defined as real-time systems. The introduction of real-time constraints implies a feedback process between the design of the algorithms and their hardware implementation. Moreover, a real-time constraint consists of two parameters: Latency and area of the implementation. All the algorithms in this thesis have been implemented on field programmable gate array (FPGAs) platforms, presenting a trade-off among performance, cost, power consumption and reconfigurability. The first part of the thesis is related to the study of different key subsystems of an ELINT equipment: Signal detection with channelized receivers, pulse parameter extraction, modulation classification for radar signals and passive location algorithms. The discrete Fourier transform (DFT) is a nearly optimal detector and frequency estimator for narrow-band signals buried in white noise. The introduction of fast algorithms to calculate the DFT, known as FFT, reduces the complexity and the processing time of the DFT computation. These properties have placed the FFT as one the most conventional methods for narrow-band signal detection for real-time applications. An algorithm for real-time spectral analysis for user-defined bandwidth, instantaneous dynamic range and resolution is presented. The most characteristic parameters of a pulsed signal are its time of arrival (TOA) and the pulse width (PW). The estimation of these basic parameters is a fundamental task in an ELINT equipment. A basic pulse parameter extractor (PPE) that is able to estimate all these parameters is designed and implemented. The PPE may be useful to perform a generic radar recognition process, perform an emitter location technique and can be used as the preprocessing part of an automatic modulation classifier (AMC). Modulation classification is a difficult task in a non-cooperative environment. An AMC consists of two parts: Signal preprocessing and the classification algorithm itself. Featurebased algorithms obtain different characteristics or features of the input signals. Once these features are extracted, the classification is carried out by processing these features. A feature based-AMC for pulsed radar signals with real-time requirements is studied, designed and implemented. Emitter passive location techniques can be divided into two classes: Triangulation systems, in which the emitter location is estimated with the intersection of the different lines of bearing created from the estimated directions of arrival, and quadratic position-fixing systems, in which the position is estimated through the intersection of iso-time difference of arrival (TDOA) or iso-frequency difference of arrival (FDOA) quadratic surfaces. Although TDOA and FDOA are only implemented with time of arrival and frequency differences, different algorithms for TDOA, FDOA and position estimation are studied and analyzed. The second part is dedicated to FIR filter design and implementation for two different radar applications: Wideband phased arrays with true-time delay (TTD) filters and the range improvement of an operative radar with no hardware changes to minimize costs. Wideband operation of phased arrays is unfeasible because time delays cannot be approximated by phase shifts. The presented solution is based on the substitution of the phase shifters by FIR discrete delay filters. The maximum range of a radar depends on the averaged signal to noise ratio (SNR) at the receiver. Among other factors, the SNR depends on the transmitted signal energy that is power times pulse width. Any possible hardware change implies high costs. The proposed solution lies in the use of a signal processing technique known as pulse compression, which consists of introducing an internal modulation within the pulse width, decoupling range and resolution.

Glucose-Insulin regulator for type 1 diabetes using high order neural networks

In this paper a Glucose-Insulin regulator for Type 1 Diabetes using artificial neural networks (ANN) is proposed. This is done using a discrete recurrent high order neural network in order to identify and control a nonlinear dynamical system which represents the pancreas? beta-cells behavior of a virtual patient. The ANN which reproduces and identifies the dynamical behavior system, is configured as series parallel and trained on line using the extended Kalman filter algorithm to achieve a quickly convergence identification in silico. The control objective is to regulate the glucose-insulin level under different glucose inputs and is based on a nonlinear neural block control law. A safety block is included between the control output signal and the virtual patient with type 1 diabetes mellitus. Simulations include a period of three days. Simulation results are compared during the overnight fasting period in Open-Loop (OL) versus Closed- Loop (CL). Tests in Semi-Closed-Loop (SCL) are made feedforward in order to give information to the control algorithm. We conclude the controller is able to drive the glucose to target in overnight periods and the feedforward is necessary to control the postprandial period.

Transferencia inalámbrica de energía

El trabajo presentado en este documento se centra en la temática de la transferencia inalámbrica de energía, concretamente en aplicaciones de campo lejano, para llevar a cabo dicho trabajo nos centraremos en el diseño, implementación y medición de una rectenna operando en la banda ISM concretamente a una frecuencia de 2.45GHz, el objetivo primordial de este trabajo será analizar que parámetros intervienen en la eficiencia de conversión en la etapa de RF-DC a fin de lograr la máxima eficiencia de conversión posible. Para llevar a cabo dicho análisis se emplearán herramientas informáticas, concretamente se hará uso del software AWR Microwave Office, a través del cual se realizarán simulaciones SourcePull a fin de determinar la impedancia óptima de entrada que se le debe presentar a la etapa rectificadora RF-DC para conseguir la máxima eficiencia de conversión, una vez realizadas dichas pruebas se implementará físicamente un circuito rectenna a través del cual realizar medidas de SourcePull mediante un Wide Matching Range Slide Screw Tuner de MAURY MICROWAVE para cotejar las posibles diferencias con los resultados obtenidos en las simulaciones. Tras la fase de pruebas SourcePull se extrapolará una red de entrada en base a los datos obtenidos en las mediciones anteriores y se diseñará y fabricará un circuito rectenna con máxima eficiencia de conversión para un conjunto de valores de potencia de entrada de RF y carga de DC, tras lo cual se analizará la eficiencia del circuito diseñado para diferentes valores de potencia de RF de entrada y carga de DC. Como elemento rectificador emplearemos en nuestro trabajo el diodo Schottky HSMS-2820, los diodos Schottky se caracterizan por tener tiempos de conmutación relativamente bajos y pérdidas en directa reducidas los cual será fundamental a la hora de trabajar con niveles reducidos de potencia de RF de entrada, para implementar el circuito se empleará un substrato FR4 con espesor de 0.8mm para disminuir en la mayor medida posible las pérdidas introducidas por el dieléctrico, se analizarán diferentes posibilidades a la hora de implementar el filtro de RF a la salida del diodo rectificador y finalmente se optará por el empleo de un stub radial ya que será este el que mejor ancho de banda nos proporcione. Los resultados simulados se compararán con los resultados medidos sobre el circuito rectenna para determinar la similitud entre ambos. ABSTRACT. The work presented in this paper focuses on the issue of wireless transfer of energy, particularly applied to far-field applications, to carry out this work we focus on the design, implementation and measurement of a rectenna operating in the ISM band specifically at a frequency of 2.45GHz, the primary objective of this study is to analyze any parameter involved in the RF-DC conversion efficiency in order to achieve the maximum conversion efficiency as possible. Computer analysis tools will be used, particularly AWR Microwave Office software, in order to carry out SourcePull simulations to determine the optimal input impedance which must be presented to the rectifier stage for maximum conversion efficiency, once obtained, a rectenna circuit will be implemented to compute SourcePull measurements, and finally simulated results will be compared to measured results. Once obtained the result, an input network impedance is extrapolated based on data from previous measurements to design and implement a rectenna circuit with high conversion efficiency for a set of RF input power and DC load values , after that, the designed circuit efficiency will be analyzed for different values of RF input power and DC load. In this work a HSMS-2820 Schottky diode will be used as the rectifier , Schottky diodes are characterized by relatively low switching times and reduced direct losses, that properties will be essential when working with low RF input power levels , to implement the circuit a FR4 substrate with 0.8mm thickness is used to reduce as much as possible the dielectric losses, different possibilities to implement the RF filter to the output of the rectifier diode will be analyzed, finally we will opt for the use of a radial stub as this will provide the best bandwidth possible. The simulated results are compared with the results measured on the rectenna circuit to determine the similarity between them.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

Cancelación activa del ruido utilizando el KIT TMS320C5515 EZDSP

El control, o cancelación activa de ruido, consiste en la atenuación del ruido presente en un entorno acústico mediante la emisión de una señal igual y en oposición de fase al ruido que se desea atenuar. La suma de ambas señales en el medio acústico produce una cancelación mutua, de forma que el nivel de ruido resultante es mucho menor al inicial. El funcionamiento de estos sistemas se basa en los principios de comportamiento de los fenómenos ondulatorios descubiertos por Augustin-Jean Fresnel, Christiaan Huygens y Thomas Young entre otros. Desde la década de 1930, se han desarrollado prototipos de sistemas de control activo de ruido, aunque estas primeras ideas eran irrealizables en la práctica o requerían de ajustes manuales cada poco tiempo que hacían inviable su uso. En la década de 1970, el investigador estadounidense Bernard Widrow desarrolla la teoría de procesado adaptativo de señales y el algoritmo de mínimos cuadrados LMS. De este modo, es posible implementar filtros digitales cuya respuesta se adapte de forma dinámica a las condiciones variables del entorno. Con la aparición de los procesadores digitales de señal en la década de 1980 y su evolución posterior, se abre la puerta para el desarrollo de sistemas de cancelación activa de ruido basados en procesado de señal digital adaptativo. Hoy en día, existen sistemas de control activo de ruido implementados en automóviles, aviones, auriculares o racks de equipamiento profesional. El control activo de ruido se basa en el algoritmo fxlms, una versión modificada del algoritmo LMS de filtrado adaptativo que permite compensar la respuesta acústica del entorno. De este modo, se puede filtrar una señal de referencia de ruido de forma dinámica para emitir la señal adecuada que produzca la cancelación. Como el espacio de cancelación acústica está limitado a unas dimensiones de la décima parte de la longitud de onda, sólo es viable la reducción de ruido en baja frecuencia. Generalmente se acepta que el límite está en torno a 500 Hz. En frecuencias medias y altas deben emplearse métodos pasivos de acondicionamiento y aislamiento, que ofrecen muy buenos resultados. Este proyecto tiene como objetivo el desarrollo de un sistema de cancelación activa de ruidos de carácter periódico, empleando para ello electrónica de consumo y un kit de desarrollo DSP basado en un procesador de muy bajo coste. Se han desarrollado una serie de módulos de código para el DSP escritos en lenguaje C, que realizan el procesado de señal adecuado a la referencia de ruido. Esta señal procesada, una vez emitida, produce la cancelación acústica. Empleando el código implementado, se han realizado pruebas que generan la señal de ruido que se desea eliminar dentro del propio DSP. Esta señal se emite mediante un altavoz que simula la fuente de ruido a cancelar, y mediante otro altavoz se emite una versión filtrada de la misma empleando el algoritmo fxlms. Se han realizado pruebas con distintas versiones del algoritmo, y se han obtenido atenuaciones de entre 20 y 35 dB medidas en márgenes de frecuencia estrechos alrededor de la frecuencia del generador, y de entre 8 y 15 dB medidas en banda ancha. ABSTRACT. Active noise control consists on attenuating the noise in an acoustic environment by emitting a signal equal but phase opposed to the undesired noise. The sum of both signals results in mutual cancellation, so that the residual noise is much lower than the original. The operation of these systems is based on the behavior principles of wave phenomena discovered by Augustin-Jean Fresnel, Christiaan Huygens and Thomas Young. Since the 1930’s, active noise control system prototypes have been developed, though these first ideas were practically unrealizable or required manual adjustments very often, therefore they were unusable. In the 1970’s, American researcher Bernard Widrow develops the adaptive signal processing theory and the Least Mean Squares algorithm (LMS). Thereby, implementing digital filters whose response adapts dynamically to the variable environment conditions, becomes possible. With the emergence of digital signal processors in the 1980’s and their later evolution, active noise cancellation systems based on adaptive signal processing are attained. Nowadays active noise control systems have been successfully implemented on automobiles, planes, headphones or racks for professional equipment. Active noise control is based on the fxlms algorithm, which is actually a modified version of the LMS adaptive filtering algorithm that allows compensation for the acoustic response of the environment. Therefore it is possible to dynamically filter a noise reference signal to obtain the appropriate cancelling signal. As the noise cancellation space is limited to approximately one tenth of the wavelength, noise attenuation is only viable for low frequencies. It is commonly accepted the limit of 500 Hz. For mid and high frequencies, conditioning and isolating passive techniques must be used, as they produce very good results. The objective of this project is to develop a noise cancellation system for periodic noise, by using consumer electronics and a DSP development kit based on a very-low-cost processor. Several C coded modules have been developed for the DSP, implementing the appropriate signal processing to the noise reference. This processed signal, once emitted, results in noise cancellation. The developed code has been tested by generating the undesired noise signal in the DSP. This signal is emitted through a speaker simulating the noise source to be removed, and another speaker emits an fxlms filtered version of the same signal. Several versions of the algorithm have been tested, obtaining attenuation levels around 20 – 35 dB measured in a tight bandwidth around the generator frequency, or around 8 – 15 dB measured in broadband.

Parallel Computer Vision Algorithms for Graphics Processing Units

La evolución de los teléfonos móviles inteligentes, dotados de cámaras digitales, está provocando una creciente demanda de aplicaciones cada vez más complejas que necesitan algoritmos de visión artificial en tiempo real; puesto que el tamaño de las señales de vídeo no hace sino aumentar y en cambio el rendimiento de los procesadores de un solo núcleo se ha estancado, los nuevos algoritmos que se diseñen para visión artificial han de ser paralelos para poder ejecutarse en múltiples procesadores y ser computacionalmente escalables. Una de las clases de procesadores más interesantes en la actualidad se encuentra en las tarjetas gráficas (GPU), que son dispositivos que ofrecen un alto grado de paralelismo, un excelente rendimiento numérico y una creciente versatilidad, lo que los hace interesantes para llevar a cabo computación científica. En esta tesis se exploran dos aplicaciones de visión artificial que revisten una gran complejidad computacional y no pueden ser ejecutadas en tiempo real empleando procesadores tradicionales. En cambio, como se demuestra en esta tesis, la paralelización de las distintas subtareas y su implementación sobre una GPU arrojan los resultados deseados de ejecución con tasas de refresco interactivas. Asimismo, se propone una técnica para la evaluación rápida de funciones de complejidad arbitraria especialmente indicada para su uso en una GPU. En primer lugar se estudia la aplicación de técnicas de síntesis de imágenes virtuales a partir de únicamente dos cámaras lejanas y no paralelas—en contraste con la configuración habitual en TV 3D de cámaras cercanas y paralelas—con información de color y profundidad. Empleando filtros de mediana modificados para la elaboración de un mapa de profundidad virtual y proyecciones inversas, se comprueba que estas técnicas son adecuadas para una libre elección del punto de vista. Además, se demuestra que la codificación de la información de profundidad con respecto a un sistema de referencia global es sumamente perjudicial y debería ser evitada. Por otro lado se propone un sistema de detección de objetos móviles basado en técnicas de estimación de densidad con funciones locales. Este tipo de técnicas es muy adecuada para el modelado de escenas complejas con fondos multimodales, pero ha recibido poco uso debido a su gran complejidad computacional. El sistema propuesto, implementado en tiempo real sobre una GPU, incluye propuestas para la estimación dinámica de los anchos de banda de las funciones locales, actualización selectiva del modelo de fondo, actualización de la posición de las muestras de referencia del modelo de primer plano empleando un filtro de partículas multirregión y selección automática de regiones de interés para reducir el coste computacional. Los resultados, evaluados sobre diversas bases de datos y comparados con otros algoritmos del estado del arte, demuestran la gran versatilidad y calidad de la propuesta. Finalmente se propone un método para la aproximación de funciones arbitrarias empleando funciones continuas lineales a tramos, especialmente indicada para su implementación en una GPU mediante el uso de las unidades de filtraje de texturas, normalmente no utilizadas para cómputo numérico. La propuesta incluye un riguroso análisis matemático del error cometido en la aproximación en función del número de muestras empleadas, así como un método para la obtención de una partición cuasióptima del dominio de la función para minimizar el error. ABSTRACT The evolution of smartphones, all equipped with digital cameras, is driving a growing demand for ever more complex applications that need to rely on real-time computer vision algorithms. However, video signals are only increasing in size, whereas the performance of single-core processors has somewhat stagnated in the past few years. Consequently, new computer vision algorithms will need to be parallel to run on multiple processors and be computationally scalable. One of the most promising classes of processors nowadays can be found in graphics processing units (GPU). These are devices offering a high parallelism degree, excellent numerical performance and increasing versatility, which makes them interesting to run scientific computations. In this thesis, we explore two computer vision applications with a high computational complexity that precludes them from running in real time on traditional uniprocessors. However, we show that by parallelizing subtasks and implementing them on a GPU, both applications attain their goals of running at interactive frame rates. In addition, we propose a technique for fast evaluation of arbitrarily complex functions, specially designed for GPU implementation. First, we explore the application of depth-image–based rendering techniques to the unusual configuration of two convergent, wide baseline cameras, in contrast to the usual configuration used in 3D TV, which are narrow baseline, parallel cameras. By using a backward mapping approach with a depth inpainting scheme based on median filters, we show that these techniques are adequate for free viewpoint video applications. In addition, we show that referring depth information to a global reference system is ill-advised and should be avoided. Then, we propose a background subtraction system based on kernel density estimation techniques. These techniques are very adequate for modelling complex scenes featuring multimodal backgrounds, but have not been so popular due to their huge computational and memory complexity. The proposed system, implemented in real time on a GPU, features novel proposals for dynamic kernel bandwidth estimation for the background model, selective update of the background model, update of the position of reference samples of the foreground model using a multi-region particle filter, and automatic selection of regions of interest to reduce computational cost. The results, evaluated on several databases and compared to other state-of-the-art algorithms, demonstrate the high quality and versatility of our proposal. Finally, we propose a general method for the approximation of arbitrarily complex functions using continuous piecewise linear functions, specially formulated for GPU implementation by leveraging their texture filtering units, normally unused for numerical computation. Our proposal features a rigorous mathematical analysis of the approximation error in function of the number of samples, as well as a method to obtain a suboptimal partition of the domain of the function to minimize approximation error.