Free-form optical systems for nonimaging applications : Sistemas ópticos anamórficos para aplicaciones anidólicas

La óptica anidólica es una rama de la óptica cuyo desarrollo comenzó a mediados de la década de 1960. Este relativamente nuevo campo de la óptica se centra en la transferencia eficiente de la luz, algo necesario en muchas aplicaciones, entre las que destacamos los concentradores solares y los sistemas de iluminación. Las soluciones de la óptica clásica a los problemas de la transferencia de energía de la luz sólo son adecuadas cuando los rayos de luz son paraxiales. La condición paraxial no se cumple en la mayoría de las aplicaciones para concentración e iluminación. Esta tesis contiene varios diseños free-form (aquellos que no presentan ninguna simetría, ni de rotación ni lineal) cuyas aplicaciones van destinadas a estos dos campos. El término nonimaging viene del hecho de que estos sistemas ópticos no necesitan formar una imagen del objeto, aunque no formar la imagen no es una condición necesaria. Otra palabra que se utiliza a veces en lugar de nonimaging es la palabra anidólico, viene del griego "an+eidolon" y tiene el mismo significado. La mayoría de los sistemas ópticos diseñados para aplicaciones anidólicas no presentan ninguna simetría, es decir, son free-form (anamórficos). Los sistemas ópticos free-form están siendo especialmente relevantes durante los últimos años gracias al desarrollo de las herramientas para su fabricación como máquinas de moldeo por inyección y el mecanizado multieje. Sin embargo, solo recientemente se han desarrollado técnicas de diseño anidólicas capaces de cumplir con estos grados de libertad. En aplicaciones de iluminación el método SMS3D permite diseñar dos superficies free-form para controlar las fuentes de luz extensas. En los casos en que se requiere una elevada asimetría de la fuente, el objeto o las restricciones volumétricos, las superficies free-form permiten obtener soluciones de mayor eficiencia, o disponer de menos elementos en comparación con las soluciones de simetría de rotación, dado que las superficies free-form tienen más grados de libertad y pueden realizar múltiples funciones debido a su naturaleza anamórfica. Los concentradores anidólicos son muy adecuados para la captación de energía solar, ya que el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol, sino sencillamente la captura de su energía. En este momento, el campo de la concentración fotovoltaica (CPV) tiende hacia sistemas de alta concentración con el fin de compensar el gasto de las células solares multi-unión (MJ) utilizadas como receptores, reduciendo su área. El interés en el uso de células MJ radica en su alta eficiencia de conversión. Para obtener sistemas competitivos en aplicaciones terrestres se recurre a sistemas fotovoltaicos de alta concentración (HCPV), con factores de concentración geométrica por encima de 500x. Estos sistemas se componen de dos (o más) elementos ópticos (espejos y/o lentes). En los sistemas presentados a lo largo de este trabajo se presentan ejemplos de concentradores HCPV con elementos reflexivos como etapa primaria, así como concentradores con elementos refractivos (lente de Fresnel). Con la necesidad de aumentar la eficiencia de los sistemas HCPV reales y con el fin de proporcionar la división más eficiente del espectro solar, células conteniendo cuatro o más uniones (con un potencial de alcanzar eficiencias de más del 45% a una concentración de cientos de soles) se exploran hoy en día. En esta tesis se presenta una de las posibles arquitecturas de división del espectro (spectrum-splitting en la literatura anglosajona) que utilizan células de concentración comercial. Otro campo de aplicación de la óptica nonimaging es la iluminación, donde es necesario proporcionar un patrón de distribución de la iluminación específico. La iluminación de estado sólido (SSL), basada en la electroluminiscencia de materiales semiconductores, está proporcionando fuentes de luz para aplicaciones de iluminación general. En la última década, los diodos emisores de luz (LED) de alto brillo han comenzado a reemplazar a las fuentes de luz convencionales debido a la superioridad en la calidad de la luz emitida, elevado tiempo de vida, compacidad y ahorro de energía. Los colimadores utilizados con LEDs deben cumplir con requisitos tales como tener una alta eficiencia, un alto control del haz de luz, una mezcla de color espacial y una gran compacidad. Presentamos un colimador de luz free-form con microestructuras capaz de conseguir buena colimación y buena mezcla de colores con una fuente de LED RGGB. Una buena mezcla de luz es importante no sólo para simplificar el diseño óptico de la luminaria sino también para evitar hacer binning de los chips. La mezcla de luz óptica puede reducir los costes al evitar la modulación por ancho de pulso y otras soluciones electrónicas patentadas para regulación y ajuste de color. Esta tesis consta de cuatro capítulos. Los capítulos que contienen la obra original de esta tesis son precedidos por un capítulo introductorio donde se presentan los conceptos y definiciones básicas de la óptica geométrica y en el cual se engloba la óptica nonimaging. Contiene principios de la óptica no formadora de imagen junto con la descripción de sus problemas y métodos de diseño. Asimismo se describe el método de Superficies Múltiples Simultáneas (SMS), que destaca por su versatilidad y capacidad de controlar varios haces de rayos. Adicionalmente también se describe la integración Köhler y sus aplicaciones en el campo de la energía fotovoltaica. La concentración fotovoltaica y la iluminación de estado sólido son introducidas junto con la revisión de su estado actual. El Segundo y Tercer Capítulo contienen diseños ópticos avanzados con aplicación en la concentración solar principalmente, mientras que el Cuarto Capítulo describe el colimador free-form con surcos que presenta buena mezcla de colores para aplicaciones de iluminación. El Segundo Capítulo describe dos concentradores ópticos HCPV diseñados con el método SMS en tres dimensiones (SMS3D) que llevan a cabo integración Köhler en dos direcciones con el fin de proporcionar una distribución de irradiancia uniforme libre de aberraciones cromáticas sobre la célula solar. Uno de los diseños es el concentrador XXR free-form diseñado con el método SMS3D, donde el espejo primario (X) y la lente secundaria (R) se dividen en cuatro sectores simétricos y llevan a cabo la integración Köhler (proporcionando cuatro unidades del array Köhler), mientras que el espejo intermedio (X) presenta simetría rotacional. Otro concentrador HCPV presentado es el Fresnel-RXI (FRXI) con una lente de Fresnel funcionando como elemento primario (POE) y una lente RXI como elemento óptico secundario (SOE), que presenta configuración 4-fold con el fin de realizar la integración Köhler. Las lentes RXI son dispositivos nonimaging conocidos, pero su aplicación como elemento secundario es novedosa. Los concentradores XXR y FRXI Köhler son ejemplos académicos de muy alta concentración (más de 2,000x, mientras que los sistemas convencionales hoy en día no suelen llegar a 1,000x) preparados para las células solares N-unión (con N>3), que probablemente requerirán una mayor concentración y alta uniformidad espectral de irradiancia con el fin de obtener sistemas CPV terrestres eficientes y rentables. Ambos concentradores están diseñados maximizando funciones de mérito como la eficiencia óptica, el producto concentración-aceptancia (CAP) y la uniformidad de irradiancia sobre la célula libre de la aberración cromática (integración Köhler). El Tercer Capítulo presenta una arquitectura para la división del espectro solar basada en un módulo HCPV con alta concentración (500x) y ángulo de aceptancia alto (>1º) que tiene por objeto reducir ambas fuentes de pérdidas de las células triple unión (3J) comerciales: el uso eficiente del espectro solar y la luz reflejada de los contactos metálicos y de la superficie de semiconductor. El módulo para la división del espectro utiliza el espectro solar más eficiente debido a la combinación de una alta eficiencia de una célula de concentración 3J (GaInP/GaInAs/Ge) y una de contacto posterior (BPC) de concentración de silicio (Si), así como la técnica de confinamiento externo para la recuperación de la luz reflejada por la célula 3J con el fin de ser reabsorbida por la célula. En la arquitectura propuesta, la célula 3J opera con su ganancia de corriente optimizada (concentración geométrica de 500x), mientras que la célula de silicio trabaja cerca de su óptimo también (135x). El módulo de spectrum-splitting consta de una lente de Fresnel plana como POE y un concentrador RXI free-form como SOE con un filtro paso-banda integrado en él. Tanto POE como SOE realizan la integración Köhler para producir homogeneización de luz sobre la célula. El filtro paso banda envía los fotones IR en la banda 900-1,150nm a la célula de silicio. Hay varios aspectos prácticos de la arquitectura del módulo presentado que ayudan a reducir la complejidad de los sistemas spectrum-splitting (el filtro y el secundario forman una sola pieza sólida, ambas células son coplanarias simplificándose el cableado y la disipación de calor, etc.). Prototipos prueba-de-concepto han sido ensamblados y probados a fin de demostrar la fabricabilidad del filtro y su rendimiento cuando se combina con la técnica de reciclaje de luz externa. Los resultados obtenidos se ajustan bastante bien a los modelos y a las simulaciones e invitan al desarrollo de una versión más compleja de este prototipo en el futuro. Dos colimadores sólidos con surcos free-form se presentan en el Cuarto Capítulo. Ambos diseños ópticos están diseñados originalmente usando el método SMS3D. La segunda superficie ópticamente activa está diseñada a posteriori como una superficie con surcos. El diseño inicial de dos espejos (XX) está diseñado como prueba de concepto. En segundo lugar, el diseño RXI free-form es comparable con los colimadores RXI existentes. Se trata de un diseño muy compacto y eficiente que proporciona una muy buena mezcla de colores cuando funciona con LEDs RGB fuera del eje óptico como en los RGB LEDs convencionales. Estos dos diseños son dispositivos free-form diseñados con la intención de mejorar las propiedades de mezcla de colores de los dispositivos no aplanáticos RXI con simetría de revolución y la eficiencia de los aplanáticos, logrando una buena colimación y una buena mezcla de colores. La capacidad de mezcla de colores del dispositivo no-aplanático mejora añadiendo características de un aplanático a su homólogo simétrico sin pérdida de eficiencia. En el caso del diseño basado en RXI, su gran ventaja consiste en su menor coste de fabricación ya que el proceso de metalización puede evitarse. Aunque algunos de los componentes presentan formas muy complejas, los costes de fabricación son relativamente insensibles a la complejidad del molde, especialmente en el caso de la producción en masa (tales como inyección de plástico), ya que el coste del molde se reparte entre todas las piezas fabricadas. Por último, las últimas dos secciones son las conclusiones y futuras líneas de investigación. ABSTRACT Nonimaging optics is a branch of optics whose development began in the mid-1960s. This rather new field of optics focuses on the efficient light transfer necessary in many applications, among which we highlight solar concentrators and illumination systems. The classical optics solutions to the problems of light energy transfer are only appropriate when the light rays are paraxial. The paraxial condition is not met in most applications for the concentration and illumination. This thesis explores several free-form designs (with neither rotational nor linear symmetry) whose applications are intended to cover the above mentioned areas and more. The term nonimaging comes from the fact that these optical systems do not need to form an image of the object, although it is not a necessary condition not to form an image. Another word sometimes used instead of nonimaging is anidolic, and it comes from the Greek “an+eidolon” and has the same meaning. Most of the optical systems designed for nonimaging applications are without any symmetry, i.e. free-form. Free-form optical systems become especially relevant lately with the evolution of free-form tooling (injection molding machines, multi-axis machining techniques, etc.). Nevertheless, only recently there are nonimaging design techniques that are able to meet these degrees of freedom. In illumination applications, the SMS3D method allows designing two free-form surfaces to control very well extended sources. In cases when source, target or volumetric constrains have very asymmetric requirements free-form surfaces are offering solutions with higher efficiency or with fewer elements in comparison with rotationally symmetric solutions, as free-forms have more degrees of freedom and they can perform multiple functions due to their free-form nature. Anidolic concentrators are well suited for the collection of solar energy, because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun, but instead the collection of its energy. At this time, Concentration Photovoltaics (CPV) field is turning to high concentration systems in order to compensate the expense of multi-junction (MJ) solar cells used as receivers by reducing its area. Interest in the use of MJ cells lies in their very high conversion efficiency. High Concentration Photovoltaic systems (HCPV) with geometric concentration of more than 500x are required in order to have competitive systems in terrestrial applications. These systems comprise two (or more) optical elements, mirrors and/or lenses. Systems presented in this thesis encompass both main types of HCPV architectures: concentrators with primary reflective element and concentrators with primary refractive element (Fresnel lens). Demand for the efficiency increase of the actual HCPV systems as well as feasible more efficient partitioning of the solar spectrum, leads to exploration of four or more junction solar cells or submodules. They have a potential of reaching over 45% efficiency at concentration of hundreds of suns. One possible architectures of spectrum splitting module using commercial concentration cells is presented in this thesis. Another field of application of nonimaging optics is illumination, where a specific illuminance distribution pattern is required. The Solid State Lighting (SSL) based on semiconductor electroluminescence provides light sources for general illumination applications. In the last decade high-brightness Light Emitting Diodes (LEDs) started replacing conventional light sources due to their superior output light quality, unsurpassed lifetime, compactness and energy savings. Collimators used with LEDs have to meet requirements like high efficiency, high beam control, color and position mixing, as well as a high compactness. We present a free-form collimator with microstructures that performs good collimation and good color mixing with RGGB LED source. Good light mixing is important not only for simplifying luminaire optical design but also for avoiding die binning. Optical light mixing may reduce costs by avoiding pulse-width modulation and other patented electronic solutions for dimming and color tuning. This thesis comprises four chapters. Chapters containing the original work of this thesis are preceded by the introductory chapter that addresses basic concepts and definitions of geometrical optics on which nonimaging is developed. It contains fundamentals of nonimaging optics together with the description of its design problems, principles and methods, and with the Simultaneous Multiple Surface (SMS) method standing out for its versatility and ability to control several bundles of rays. Köhler integration and its applications in the field of photovoltaics are described as well. CPV and SSL fields are introduced together with the review on their background and their current status. Chapter 2 and Chapter 3 contain advanced optical designs with primarily application in solar concentration; meanwhile Chapter 4 portrays the free-form V-groove collimator with good color mixing property for illumination application. Chapter 2 describes two HCPV optical concentrators designed with the SMS method in three dimensions (SMS3D). Both concentrators represent Köhler integrator arrays that provide uniform irradiance distribution free from chromatic aberrations on the solar cell. One of the systems is the XXR free-form concentrator designed with the SMS3D method. The primary mirror (X) of this concentrator and secondary lens (R) are divided in four symmetric sectors (folds) that perform Köhler integration; meanwhile the intermediate mirror (X) is rotationally symmetric. Second HCPV concentrator is the Fresnel-RXI (FRXI) with flat Fresnel lens as the Primary Optical Element (POE) and an RXI lens as the Secondary Optical Element (SOE). This architecture manifests 4-fold configuration for performing Köhler integration (4 array units), as well. The RXI lenses are well-known nonimaging devices, but their application as SOE is novel. Both XXR and FRXI Köhler HCPV concentrators are academic examples of very high concentration (more than 2,000x meanwhile conventional systems nowadays have up to 1,000x) prepared for the near future N-junction (N>3) solar cells. In order to have efficient and cost-effective terrestrial CPV systems, those cells will probably require higher concentrations and high spectral irradiance uniformity. Both concentrators are designed by maximizing merit functions: the optical efficiency, concentration-acceptance angle (CAP) and cell-irradiance uniformity free from chromatic aberrations (Köhler integration). Chapter 3 presents the spectrum splitting architecture based on a HCPV module with high concentration (500x) and high acceptance angle (>1º). This module aims to reduce both sources of losses of the actual commercial triple-junction (3J) solar cells with more efficient use of the solar spectrum and with recovering the light reflected from the 3J cells’ grid lines and semiconductor surface. The solar spectrum is used more efficiently due to the combination of a high efficiency 3J concentration cell (GaInP/GaInAs/Ge) and external Back-Point-Contact (BPC) concentration silicon (Si) cell. By employing external confinement techniques, the 3J cell’s reflections are recovered in order to be re-absorbed by the cell. In the proposed concentrator architecture, the 3J cell operates at its optimized current gain (at geometrical concentration of 500x), while the Si cell works near its optimum, as well (135x). The spectrum splitting module consists of a flat Fresnel lens (as the POE), and a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it (as the SOE), both POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization. The band-pass filter sends the IR photons in the 900-1,150nm band to the Si cell. There are several practical aspects of presented module architecture that help reducing the added complexity of the beam splitting systems: the filter and secondary are forming a single solid piece, both cells are coplanar so the heat management and wiring is simplified, etc. Two proof-of-concept prototypes are assembled and tested in order to prove filter manufacturability and performance, as well as the potential of external light recycling technique. Obtained measurement results agree quite well with models and simulations, and show an opened path to manufacturing of the Fresnel RXI-type secondary concentrator with spectrum splitting strategy. Two free-form solid V-groove collimators are presented in Chapter 4. Both free-form collimators are originally designed with the SMS3D method. The second mirrored optically active surface is converted in a grooved surface a posteriori. Initial two mirror (XX) design is presented as a proof-of-concept. Second, RXI free-form design is comparable with existing RXI collimators as it is a highly compact and a highly efficient design. It performs very good color mixing of the RGGB LED sources placed off-axis like in conventional RGB LEDs. Collimators described here improve color mixing property of the prior art rotationally symmetric no-aplanatic RXI devices, and the efficiency of the aplanatic ones, accomplishing both good collimation and good color mixing. Free-form V-groove collimators enhance the no-aplanatic device's blending capabilities by adding aplanatic features to its symmetric counterpart with no loss in efficiency. Big advantage of the RXI design is its potentially lower manufacturing cost, since the process of metallization may be avoided. Although some components are very complicated for shaping, the manufacturing costs are relatively insensitive to the complexity of the mold especially in the case of mass production (such as plastic injection), as the cost of the mold is spread in many parts. Finally, last two sections are conclusions and future lines of investigation.

Federating queries in SPARQL 1.1: syntax, semantics and evaluation

Given the sustained growth that we are experiencing in the number of SPARQL endpoints available, the need to be able to send federated SPARQL queries across these has also grown. To address this use case, the W3C SPARQL working group is defining a federation extension for SPARQL 1.1 which allows for combining graph patterns that can be evaluated over several endpoints within a single query. In this paper, we describe the syntax of that extension and formalize its semantics. Additionally, we describe how a query evaluation system can be implemented for that federation extension, describing some static optimization techniques and reusing a query engine used for data-intensive science, so as to deal with large amounts of intermediate and final results. Finally we carry out a series of experiments that show that our optimizations speed up the federated query evaluation process.

A cyber-physical approach to combined HW-SW monitoring for improving energy efficiency in data centers

High-Performance Computing, Cloud computing and next-generation applications such e-Health or Smart Cities have dramatically increased the computational demand of Data Centers. The huge energy consumption, increasing levels of CO2 and the economic costs of these facilities represent a challenge for industry and researchers alike. Recent research trends propose the usage of holistic optimization techniques to jointly minimize Data Center computational and cooling costs from a multilevel perspective. This paper presents an analysis on the parameters needed to integrate the Data Center in a holistic optimization framework and leverages the usage of Cyber-Physical systems to gather workload, server and environmental data via software techniques and by deploying a non-intrusive Wireless Sensor Net- work (WSN). This solution tackles data sampling, retrieval and storage from a reconfigurable perspective, reducing the amount of data generated for optimization by a 68% without information loss, doubling the lifetime of the WSN nodes and allowing runtime energy minimization techniques in a real scenario.

Biomechanical evaluation of the singing voice

Teaching the adequate use of the singing voice conveys a lot of knowledge in musical performance as well as in objective estimation techniques involving the use of air, muscles, room and body acoustics, and the tuning of a fine instrument as the human voice. Although subjective evaluation and training is a very delicate task to be carried out only by expert singers, biomedical engineering may help contributing with well-funded methodologies developed for the study of voice pathology. The present work is a preliminary study of exploratory character describing the performance of a student singer in a regular classroom under the point of view of vocal fold biomechanics. Estimates of biomechanical parameters obtained from singing voice are given and their potential use is discussed.

Vocal fold biomechanical analysis for the singing voice

Teaching the adequate use of the singing voice conveys a lot of knowledge in musical performance as well as in objective estimation techniques involving the use of air, muscles, room and body acoustics, and the tuning of a fine instrument as the human voice. Although subjective evaluation and training is a very delicate task to be carried out only by expert singers, biomedical engineering may help contributing with well - funded methodologies developed for the study of voice pathology. The present study is a preliminary study of exploratory character describing the performance of a student singer in a regular classroom under the point of view of vocal fold biomechanics. Estimate s of biomechanical parameters obtained from singing voice are given and their use i n the classroom is discussed.

Optimized design of the prestress in continuous bridge decks

In this paper a method for automatic design of the prestress in continuous bridge decks is presented. In a first step of the procedure the optimal prestressed force for a completely geometrically defined and feasible prestress layout is obtained by means of linear programming techniques. Further on, in a second step the prestress geometry and minimum force are automatically found by steepest descent optimization techniques. Finally this methodology is applied to two-span continuous bridge decks and from the obtained results some preliminary design rules can be drawn.

Inteligencia artificial para la predicción y control del acabado superficial en procesos de fresado a alta velocidad

El objetivo principal de esta tesis doctoral es profundizar en el análisis y diseño de un sistema inteligente para la predicción y control del acabado superficial en un proceso de fresado a alta velocidad, basado fundamentalmente en clasificadores Bayesianos, con el prop´osito de desarrollar una metodolog´ıa que facilite el diseño de este tipo de sistemas. El sistema, cuyo propósito es posibilitar la predicción y control de la rugosidad superficial, se compone de un modelo aprendido a partir de datos experimentales con redes Bayesianas, que ayudar´a a comprender los procesos dinámicos involucrados en el mecanizado y las interacciones entre las variables relevantes. Dado que las redes neuronales artificiales son modelos ampliamente utilizados en procesos de corte de materiales, también se incluye un modelo para fresado usándolas, donde se introdujo la geometría y la dureza del material como variables novedosas hasta ahora no estudiadas en este contexto. Por lo tanto, una importante contribución en esta tesis son estos dos modelos para la predicción de la rugosidad superficial, que se comparan con respecto a diferentes aspectos: la influencia de las nuevas variables, los indicadores de evaluación del desempeño, interpretabilidad. Uno de los principales problemas en la modelización con clasificadores Bayesianos es la comprensión de las enormes tablas de probabilidad a posteriori producidas. Introducimos un m´etodo de explicación que genera un conjunto de reglas obtenidas de árboles de decisión. Estos árboles son inducidos a partir de un conjunto de datos simulados generados de las probabilidades a posteriori de la variable clase, calculadas con la red Bayesiana aprendida a partir de un conjunto de datos de entrenamiento. Por último, contribuimos en el campo multiobjetivo en el caso de que algunos de los objetivos no se puedan cuantificar en números reales, sino como funciones en intervalo de valores. Esto ocurre a menudo en aplicaciones de aprendizaje automático, especialmente las basadas en clasificación supervisada. En concreto, se extienden las ideas de dominancia y frontera de Pareto a esta situación. Su aplicación a los estudios de predicción de la rugosidad superficial en el caso de maximizar al mismo tiempo la sensibilidad y la especificidad del clasificador inducido de la red Bayesiana, y no solo maximizar la tasa de clasificación correcta. Los intervalos de estos dos objetivos provienen de un m´etodo de estimación honesta de ambos objetivos, como e.g. validación cruzada en k rodajas o bootstrap.---ABSTRACT---The main objective of this PhD Thesis is to go more deeply into the analysis and design of an intelligent system for surface roughness prediction and control in the end-milling machining process, based fundamentally on Bayesian network classifiers, with the aim of developing a methodology that makes easier the design of this type of systems. The system, whose purpose is to make possible the surface roughness prediction and control, consists of a model learnt from experimental data with the aid of Bayesian networks, that will help to understand the dynamic processes involved in the machining and the interactions among the relevant variables. Since artificial neural networks are models widely used in material cutting proceses, we include also an end-milling model using them, where the geometry and hardness of the piecework are introduced as novel variables not studied so far within this context. Thus, an important contribution in this thesis is these two models for surface roughness prediction, that are then compared with respecto to different aspects: influence of the new variables, performance evaluation metrics, interpretability. One of the main problems with Bayesian classifier-based modelling is the understanding of the enormous posterior probabilitiy tables produced. We introduce an explanation method that generates a set of rules obtained from decision trees. Such trees are induced from a simulated data set generated from the posterior probabilities of the class variable, calculated with the Bayesian network learned from a training data set. Finally, we contribute in the multi-objective field in the case that some of the objectives cannot be quantified as real numbers but as interval-valued functions. This often occurs in machine learning applications, especially those based on supervised classification. Specifically, the dominance and Pareto front ideas are extended to this setting. Its application to the surface roughness prediction studies the case of maximizing simultaneously the sensitivity and specificity of the induced Bayesian network classifier, rather than only maximizing the correct classification rate. Intervals in these two objectives come from a honest estimation method of both objectives, like e.g. k-fold cross-validation or bootstrap.

Aportación al análisis de espectros de radiación: estructuras y algoritmos

A lo largo del presente trabajo se investiga la viabilidad de la descomposición automática de espectros de radiación gamma por medio de algoritmos de resolución de sistemas de ecuaciones algebraicas lineales basados en técnicas de pseudoinversión. La determinación de dichos algoritmos ha sido realizada teniendo en cuenta su posible implementación sobre procesadores de propósito específico de baja complejidad. En el primer capítulo se resumen las técnicas para la detección y medida de la radiación gamma que han servido de base para la confección de los espectros tratados en el trabajo. Se reexaminan los conceptos asociados con la naturaleza de la radiación electromagnética, así como los procesos físicos y el tratamiento electrónico que se hallan involucrados en su detección, poniendo de relieve la naturaleza intrínsecamente estadística del proceso de formación del espectro asociado como una clasificación del número de detecciones realizadas en función de la energía supuestamente continua asociada a las mismas. Para ello se aporta una breve descripción de los principales fenómenos de interacción de la radiación con la materia, que condicionan el proceso de detección y formación del espectro. El detector de radiación es considerado el elemento crítico del sistema de medida, puesto que condiciona fuertemente el proceso de detección. Por ello se examinan los principales tipos de detectores, con especial hincapié en los detectores de tipo semiconductor, ya que son los más utilizados en la actualidad. Finalmente, se describen los subsistemas electrónicos fundamentales para el acondicionamiento y pretratamiento de la señal procedente del detector, a la que se le denomina con el término tradicionalmente utilizado de Electrónica Nuclear. En lo que concierne a la espectroscopia, el principal subsistema de interés para el presente trabajo es el analizador multicanal, el cual lleva a cabo el tratamiento cualitativo de la señal, y construye un histograma de intensidad de radiación en el margen de energías al que el detector es sensible. Este vector N-dimensional es lo que generalmente se conoce con el nombre de espectro de radiación. Los distintos radionúclidos que participan en una fuente de radiación no pura dejan su impronta en dicho espectro. En el capítulo segundo se realiza una revisión exhaustiva de los métodos matemáticos en uso hasta el momento ideados para la identificación de los radionúclidos presentes en un espectro compuesto, así como para determinar sus actividades relativas. Uno de ellos es el denominado de regresión lineal múltiple, que se propone como la aproximación más apropiada a los condicionamientos y restricciones del problema: capacidad para tratar con espectros de baja resolución, ausencia del concurso de un operador humano (no supervisión), y posibilidad de ser soportado por algoritmos de baja complejidad capaces de ser instrumentados sobre procesadores dedicados de alta escala de integración. El problema del análisis se plantea formalmente en el tercer capítulo siguiendo las pautas arriba mencionadas y se demuestra que el citado problema admite una solución en la teoría de memorias asociativas lineales. Un operador basado en este tipo de estructuras puede proporcionar la solución al problema de la descomposición espectral deseada. En el mismo contexto, se proponen un par de algoritmos adaptativos complementarios para la construcción del operador, que gozan de unas características aritméticas especialmente apropiadas para su instrumentación sobre procesadores de alta escala de integración. La característica de adaptatividad dota a la memoria asociativa de una gran flexibilidad en lo que se refiere a la incorporación de nueva información en forma progresiva.En el capítulo cuarto se trata con un nuevo problema añadido, de índole altamente compleja. Es el del tratamiento de las deformaciones que introducen en el espectro las derivas instrumentales presentes en el dispositivo detector y en la electrónica de preacondicionamiento. Estas deformaciones invalidan el modelo de regresión lineal utilizado para describir el espectro problema. Se deriva entonces un modelo que incluya las citadas deformaciones como una ampliación de contribuciones en el espectro compuesto, el cual conlleva una ampliación sencilla de la memoria asociativa capaz de tolerar las derivas en la mezcla problema y de llevar a cabo un análisis robusto de contribuciones. El método de ampliación utilizado se basa en la suposición de pequeñas perturbaciones. La práctica en el laboratorio demuestra que, en ocasiones, las derivas instrumentales pueden provocar distorsiones severas en el espectro que no pueden ser tratadas por el modelo anterior. Por ello, en el capítulo quinto se plantea el problema de medidas afectadas por fuertes derivas desde el punto de vista de la teoría de optimización no lineal. Esta reformulación lleva a la introducción de un algoritmo de tipo recursivo inspirado en el de Gauss-Newton que permite introducir el concepto de memoria lineal realimentada. Este operador ofrece una capacidad sensiblemente mejorada para la descomposición de mezclas con fuerte deriva sin la excesiva carga computacional que presentan los algoritmos clásicos de optimización no lineal. El trabajo finaliza con una discusión de los resultados obtenidos en los tres principales niveles de estudio abordados, que se ofrecen en los capítulos tercero, cuarto y quinto, así como con la elevación a definitivas de las principales conclusiones derivadas del estudio y con el desglose de las posibles líneas de continuación del presente trabajo.---ABSTRACT---Through the present research, the feasibility of Automatic Gamma-Radiation Spectral Decomposition by Linear Algebraic Equation-Solving Algorithms using Pseudo-Inverse Techniques is explored. The design of the before mentioned algorithms has been done having into account their possible implementation on Specific-Purpose Processors of Low Complexity. In the first chapter, the techniques for the detection and measurement of gamma radiation employed to construct the spectra being used throughout the research are reviewed. Similarly, the basic concepts related with the nature and properties of the hard electromagnetic radiation are also re-examined, together with the physic and electronic processes involved in the detection of such kind of radiation, with special emphasis in the intrinsic statistical nature of the spectrum build-up process, which is considered as a classification of the number of individual photon-detections as a function of the energy associated to each individual photon. Fbr such, a brief description of the most important matter-energy interaction phenomena conditioning the detection and spectrum formation processes is given. The radiation detector is considered as the most critical element in the measurement system, as this device strongly conditions the detection process. Fbr this reason, the characteristics of the most frequent detectors are re-examined, with special emphasis on those of semiconductor nature, as these are the most frequently employed ones nowadays. Finally, the fundamental electronic subsystems for preaconditioning and treating of the signal delivered by the detector, classically addresed as Nuclear Electronics, is described. As far as Spectroscopy is concerned, the subsystem most interesting for the scope covered by the present research is the so-called Multichannel Analyzer, which is devoted to the cualitative treatment of the signal, building-up a hystogram of radiation intensity in the range of energies in which the detector is sensitive. The resulting N-dimensional vector is generally known with the ñame of Radiation Spectrum. The different radio-nuclides contributing to the spectrum of a composite source will leave their fingerprint in the resulting spectrum. Through the second chapter, an exhaustive review of the mathematical methods devised to the present moment to identify the radio-nuclides present in the composite spectrum and to quantify their relative contributions, is reviewed. One of the more popular ones is the so-known Múltiple Linear Regression, which is proposed as the best suited approach according to the constraints and restrictions present in the formulation of the problem, i.e., the need to treat low-resolution spectra, the absence of control by a human operator (un-supervision), and the possibility of being implemented as low-complexity algorithms amenable of being supported by VLSI Specific Processors. The analysis problem is formally stated through the third chapter, following the hints established in this context, and it is shown that the addressed problem may be satisfactorily solved under the point of view of Linear Associative Memories. An operator based on this kind of structures may provide the solution to the spectral decomposition problem posed. In the same context, a pair of complementary adaptive algorithms useful for the construction of the solving operator are proposed, which share certain special arithmetic characteristics that render them specially suitable for their implementation on VLSI Processors. The adaptive nature of the associative memory provides a high flexibility to this operator, in what refers to the progressive inclusión of new information to the knowledge base. Through the fourth chapter, this fact is treated together with a new problem to be considered, of a high interest but quite complex nature, as is the treatment of the deformations appearing in the spectrum when instrumental drifts in both the detecting device and the pre-acconditioning electronics are to be taken into account. These deformations render the Linear Regression Model proposed almost unuseful to describe the resulting spectrum. A new model including the drifts is derived as an extensión of the individual contributions to the composite spectrum, which implies a simple extensión of the Associative Memory, which renders this suitable to accept the drifts in the composite spectrum, thus producing a robust analysis of contributions. The extensión method is based on the Low-Amplitude Perturbation Hypothesis. Experimental practice shows that in certain cases the instrumental drifts may provoke severe distortions in the resulting spectrum, which can not be treated with the before-mentioned hypothesis. To cover also these less-frequent cases, through the fifth chapter, the problem involving strong drifts is treated under the point of view of Non-Linear Optimization Techniques. This reformulation carries the study to the consideration of recursive algorithms based on the Gauss-Newton methods, which allow the introduction of Feed-Back Memories, computing elements with a sensibly improved capability to decompose spectra affected by strong drifts. The research concludes with a discussion of the results obtained in the three main levéis of study considerad, which are presented in chapters third, fourth and fifth, toghether with the review of the main conclusions derived from the study and the outline of the main research lines opened by the present work.

Contribución al análisis eficiente y a la mejora de prestaciones de antenas reflectarray

El diseño de una antena reflectarray bajo la aproximación de periodicidad local requiere la determinación de la matriz de scattering de estructuras multicapa con metalizaciones periódicas para un gran número de geometrías diferentes. Por lo tanto, a la hora de diseñar antenas reflectarray en tiempos de CPU razonables, se necesitan herramientas númericas rápidas y precisas para el análisis de las estructuras periódicas multicapa. En esta tesis se aplica la versión Galerkin del Método de los Momentos (MDM) en el dominio espectral al análisis de las estructuras periódicas multicapa necesarias para el diseño de antenas reflectarray basadas en parches apilados o en dipolos paralelos coplanares. Desgraciadamente, la aplicación de este método numérico involucra el cálculo de series dobles infinitas, y mientras que algunas series convergen muy rápidamente, otras lo hacen muy lentamente. Para aliviar este problema, en esta tesis se propone un novedoso MDM espectral-espacial para el análisis de las estructuras periódicas multicapa, en el cual las series rápidamente convergente se calculan en el dominio espectral, y las series lentamente convergentes se calculan en el dominio espacial mediante una versión mejorada de la formulación de ecuaciones integrales de potenciales mixtos (EIPM) del MDM. Esta versión mejorada se basa en la interpolación eficiente de las funciones de Green multicapa periódicas, y en el cálculo eficiente de las integrales singulares que conducen a los elementos de la matriz del MDM. El novedoso método híbrido espectral-espacial y el tradicional MDM en el dominio espectral se han comparado en el caso de los elementos reflectarray basado en parches apilados. Las simulaciones numéricas han demostrado que el tiempo de CPU requerido por el MDM híbrido es alrededor de unas 60 veces más rápido que el requerido por el tradicional MDM en el dominio espectral para una precisión de dos cifras significativas. El uso combinado de elementos reflectarray con parches apilados y técnicas de optimización de banda ancha ha hecho posible diseñar antenas reflectarray de transmisiónrecepción (Tx-Rx) y polarización dual para aplicaciones de espacio con requisitos muy restrictivos. Desgraciadamente, el nivel de aislamiento entre las polarizaciones ortogonales en antenas DBS (típicamente 30 dB) es demasiado exigente para ser conseguido con las antenas basadas en parches apilados. Además, el uso de elementos reflectarray con parches apilados conlleva procesos de fabricación complejos y costosos. En esta tesis se investigan varias configuraciones de elementos reflectarray basadas en conjuntos de dipolos paralelos con el fin de superar los inconvenientes que presenta el elemento basado en parches apilados. Primeramente, se propone un elemento consistente en dos conjuntos apilados ortogonales de tres dipolos paralelos para aplicaciones de polarización dual. Se ha diseñado, fabricado y medido una antena basada en este elemento, y los resultados obtenidos para la antena indican que tiene unas altas prestaciones en términos de ancho de banda, pérdidas, eficiencia y discriminación contrapolar, además de requerir un proceso de fabricación mucho más sencillo que el de las antenas basadas en tres parches apilados. Desgraciadamente, el elemento basado en dos conjuntos ortogonales de tres dipolos paralelos no proporciona suficientes grados de libertad para diseñar antenas reflectarray de transmisión-recepción (Tx-Rx) de polarización dual para aplicaciones de espacio por medio de técnicas de optimización de banda ancha. Por este motivo, en la tesis se propone un nuevo elemento reflectarray que proporciona los grados de libertad suficientes para cada polarización. El nuevo elemento consiste en dos conjuntos ortogonales de cuatro dipolos paralelos. Cada conjunto contiene tres dipolos coplanares y un dipolo apilado. Para poder acomodar los dos conjuntos de dipolos en una sola celda de la antena reflectarray, el conjunto de dipolos de una polarización está desplazado medio período con respecto al conjunto de dipolos de la otra polarización. Este hecho permite usar solamente dos niveles de metalización para cada elemento de la antena, lo cual simplifica el proceso de fabricación como en el caso del elemento basados en dos conjuntos de tres dipolos paralelos coplanares. Una antena de doble polarización y doble banda (Tx-Rx) basada en el nuevo elemento ha sido diseñada, fabricada y medida. La antena muestra muy buenas presentaciones en las dos bandas de frecuencia con muy bajos niveles de polarización cruzada. Simulaciones numéricas presentadas en la tesis muestran que estos bajos de niveles de polarización cruzada se pueden reducir todavía más si se llevan a cabo pequeñas rotaciones de los dos conjuntos de dipolos asociados a cada polarización. ABSTRACT The design of a reflectarray antenna under the local periodicity assumption requires the determination of the scattering matrix of a multilayered structure with periodic metallizations for quite a large number of different geometries. Therefore, in order to design reflectarray antennas within reasonable CPU times, fast and accurate numerical tools for the analysis of the periodic multilayered structures are required. In this thesis the Galerkin’s version of the Method of Moments (MoM) in the spectral domain is applied to the analysis of the periodic multilayered structures involved in the design of reflectarray antennas made of either stacked patches or coplanar parallel dipoles. Unfortunately, this numerical approach involves the computation of double infinite summations, and whereas some of these summations converge very fast, some others converge very slowly. In order to alleviate this problem, in the thesis a novel hybrid MoM spectral-spatial domain approach is proposed for the analysis of the periodic multilayered structures. In the novel approach, whereas the fast convergent summations are computed in the spectral domain, the slowly convergent summations are computed by means of an enhanced Mixed Potential Integral Equation (MPIE) formulation of the MoM in the spatial domain. This enhanced formulation is based on the efficient interpolation of the multilayered periodic Green’s functions, and on the efficient computation of the singular integrals leading to the MoM matrix entries. The novel hybrid spectral-spatial MoM code and the standard spectral domain MoM code have both been compared in the case of reflectarray elements based on multilayered stacked patches. Numerical simulations have shown that the CPU time required by the hybrid MoM is around 60 times smaller than that required by the standard spectral MoM for an accuracy of two significant figures. The combined use of reflectarray elements based on stacked patches and wideband optimization techniques has made it possible to design dual polarization transmit-receive (Tx-Rx) reflectarrays for space applications with stringent requirements. Unfortunately, the required level of isolation between orthogonal polarizations in DBS antennas (typically 30 dB) is hard to achieve with the configuration of stacked patches. Moreover, the use of reflectarrays based on stacked patches leads to a complex and expensive manufacturing process. In this thesis, we investigate several configurations of reflectarray elements based on sets of parallel dipoles that try to overcome the drawbacks introduced by the element based on stacked patches. First, an element based on two stacked orthogonal sets of three coplanar parallel dipoles is proposed for dual polarization applications. An antenna made of this element has been designed, manufactured and measured, and the results obtained show that the antenna presents a high performance in terms of bandwidth, losses, efficiency and cross-polarization discrimination, while the manufacturing process is cheaper and simpler than that of the antennas made of stacked patches. Unfortunately, the element based on two sets of three coplanar parallel dipoles does not provide enough degrees of freedom to design dual-polarization transmit-receive (Tx-Rx) reflectarray antennas for space applications by means of wideband optimization techniques. For this reason, in the thesis a new reflectarray element is proposed which does provide enough degrees of freedom for each polarization. This new element consists of two orthogonal sets of four parallel dipoles, each set containing three coplanar dipoles and one stacked dipole. In order to accommodate the two sets of dipoles in each reflectarray cell, the set of dipoles for one polarization is shifted half a period from the set of dipoles for the other polarization. This also makes it possible to use only two levels of metallization for the reflectarray element, which simplifies the manufacturing process as in the case of the reflectarray element based on two sets of three parallel dipoles. A dual polarization dual-band (Tx-Rx) reflectarray antenna based on the new element has been designed, manufactured and measured. The antenna shows a very good performance in both Tx and Rx frequency bands with very low levels of cross-polarization. Numerical simulations carried out in the thesis have shown that the low levels of cross-polarization can be even made smaller by means of small rotations of the two sets of dipoles associated to each polarization.

Response threshold models, stochastic learning automata and ant colony optimization-based decentralized self-coordination algorithms for heterogeneous multi-tasks distribution in multi-robot systems

In recent decades, there has been an increasing interest in systems comprised of several autonomous mobile robots, and as a result, there has been a substantial amount of development in the eld of Articial Intelligence, especially in Robotics. There are several studies in the literature by some researchers from the scientic community that focus on the creation of intelligent machines and devices capable to imitate the functions and movements of living beings. Multi-Robot Systems (MRS) can often deal with tasks that are dicult, if not impossible, to be accomplished by a single robot. In the context of MRS, one of the main challenges is the need to control, coordinate and synchronize the operation of multiple robots to perform a specic task. This requires the development of new strategies and methods which allow us to obtain the desired system behavior in a formal and concise way. This PhD thesis aims to study the coordination of multi-robot systems, in particular, addresses the problem of the distribution of heterogeneous multi-tasks. The main interest in these systems is to understand how from simple rules inspired by the division of labor in social insects, a group of robots can perform tasks in an organized and coordinated way. We are mainly interested on truly distributed or decentralized solutions in which the robots themselves, autonomously and in an individual manner, select a particular task so that all tasks are optimally distributed. In general, to perform the multi-tasks distribution among a team of robots, they have to synchronize their actions and exchange information. Under this approach we can speak of multi-tasks selection instead of multi-tasks assignment, which means, that the agents or robots select the tasks instead of being assigned a task by a central controller. The key element in these algorithms is the estimation ix of the stimuli and the adaptive update of the thresholds. This means that each robot performs this estimate locally depending on the load or the number of pending tasks to be performed. In addition, it is very interesting the evaluation of the results in function in each approach, comparing the results obtained by the introducing noise in the number of pending loads, with the purpose of simulate the robot's error in estimating the real number of pending tasks. The main contribution of this thesis can be found in the approach based on self-organization and division of labor in social insects. An experimental scenario for the coordination problem among multiple robots, the robustness of the approaches and the generation of dynamic tasks have been presented and discussed. The particular issues studied are: Threshold models: It presents the experiments conducted to test the response threshold model with the objective to analyze the system performance index, for the problem of the distribution of heterogeneous multitasks in multi-robot systems; also has been introduced additive noise in the number of pending loads and has been generated dynamic tasks over time. Learning automata methods: It describes the experiments to test the learning automata-based probabilistic algorithms. The approach was tested to evaluate the system performance index with additive noise and with dynamic tasks generation for the same problem of the distribution of heterogeneous multi-tasks in multi-robot systems. Ant colony optimization: The goal of the experiments presented is to test the ant colony optimization-based deterministic algorithms, to achieve the distribution of heterogeneous multi-tasks in multi-robot systems. In the experiments performed, the system performance index is evaluated by introducing additive noise and dynamic tasks generation over time.

Application of self-organizing techniques for the distribution of heterogeneous multi-tasks in multi-robot systems

This paper focuses on the general problem of coordinating of multi-robot systems, more specifically, it addresses the self-election of heterogeneous and specialized tasks by autonomous robots. In this regard, it has proposed experimenting with two different techniques based chiefly on selforganization and emergence biologically inspired, by applying response threshold models as well as ant colony optimization. Under this approach it can speak of multi-tasks selection instead of multi-tasks allocation, that means, as the agents or robots select the tasks instead of being assigned a task by a central controller. The key element in these algorithms is the estimation of the stimuli and the adaptive update of the thresholds. This means that each robot performs this estimate locally depending on the load or the number of pending tasks to be performed. It has evaluated the robustness of the algorithms, perturbing the number of pending loads to simulate the robot’s error in estimating the real number of pending tasks and also the dynamic generation of loads through time. The paper ends with a critical discussion of experimental results.

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.

Automated wordlength optimization framework for multi-source statistical interval-based analysis of nonlinear systems with control-flow structures

El uso de aritmética de punto fijo es una opción de diseño muy extendida en sistemas con fuertes restricciones de área, consumo o rendimiento. Para producir implementaciones donde los costes se minimicen sin impactar negativamente en la precisión de los resultados debemos llevar a cabo una asignación cuidadosa de anchuras de palabra. Encontrar la combinación óptima de anchuras de palabra en coma fija para un sistema dado es un problema combinatorio NP-hard al que los diseñadores dedican entre el 25 y el 50 % del ciclo de diseño. Las plataformas hardware reconfigurables, como son las FPGAs, también se benefician de las ventajas que ofrece la aritmética de coma fija, ya que éstas compensan las frecuencias de reloj más bajas y el uso más ineficiente del hardware que hacen estas plataformas respecto a los ASICs. A medida que las FPGAs se popularizan para su uso en computación científica los diseños aumentan de tamaño y complejidad hasta llegar al punto en que no pueden ser manejados eficientemente por las técnicas actuales de modelado de señal y ruido de cuantificación y de optimización de anchura de palabra. En esta Tesis Doctoral exploramos distintos aspectos del problema de la cuantificación y presentamos nuevas metodologías para cada uno de ellos: Las técnicas basadas en extensiones de intervalos han permitido obtener modelos de propagación de señal y ruido de cuantificación muy precisos en sistemas con operaciones no lineales. Nosotros llevamos esta aproximación un paso más allá introduciendo elementos de Multi-Element Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) y combinándolos con una técnica moderna basada en Modified Affine Arithmetic (MAA) estadístico para así modelar sistemas que contienen estructuras de control de flujo. Nuestra metodología genera los distintos caminos de ejecución automáticamente, determina las regiones del dominio de entrada que ejercitarán cada uno de ellos y extrae los momentos estadísticos del sistema a partir de dichas soluciones parciales. Utilizamos esta técnica para estimar tanto el rango dinámico como el ruido de redondeo en sistemas con las ya mencionadas estructuras de control de flujo y mostramos la precisión de nuestra aproximación, que en determinados casos de uso con operadores no lineales llega a tener tan solo una desviación del 0.04% con respecto a los valores de referencia obtenidos mediante simulación. Un inconveniente conocido de las técnicas basadas en extensiones de intervalos es la explosión combinacional de términos a medida que el tamaño de los sistemas a estudiar crece, lo cual conlleva problemas de escalabilidad. Para afrontar este problema presen tamos una técnica de inyección de ruidos agrupados que hace grupos con las señales del sistema, introduce las fuentes de ruido para cada uno de los grupos por separado y finalmente combina los resultados de cada uno de ellos. De esta forma, el número de fuentes de ruido queda controlado en cada momento y, debido a ello, la explosión combinatoria se minimiza. También presentamos un algoritmo de particionado multi-vía destinado a minimizar la desviación de los resultados a causa de la pérdida de correlación entre términos de ruido con el objetivo de mantener los resultados tan precisos como sea posible. La presente Tesis Doctoral también aborda el desarrollo de metodologías de optimización de anchura de palabra basadas en simulaciones de Monte-Cario que se ejecuten en tiempos razonables. Para ello presentamos dos nuevas técnicas que exploran la reducción del tiempo de ejecución desde distintos ángulos: En primer lugar, el método interpolativo aplica un interpolador sencillo pero preciso para estimar la sensibilidad de cada señal, y que es usado después durante la etapa de optimización. En segundo lugar, el método incremental gira en torno al hecho de que, aunque es estrictamente necesario mantener un intervalo de confianza dado para los resultados finales de nuestra búsqueda, podemos emplear niveles de confianza más relajados, lo cual deriva en un menor número de pruebas por simulación, en las etapas iniciales de la búsqueda, cuando todavía estamos lejos de las soluciones optimizadas. Mediante estas dos aproximaciones demostramos que podemos acelerar el tiempo de ejecución de los algoritmos clásicos de búsqueda voraz en factores de hasta x240 para problemas de tamaño pequeño/mediano. Finalmente, este libro presenta HOPLITE, una infraestructura de cuantificación automatizada, flexible y modular que incluye la implementación de las técnicas anteriores y se proporciona de forma pública. Su objetivo es ofrecer a desabolladores e investigadores un entorno común para prototipar y verificar nuevas metodologías de cuantificación de forma sencilla. Describimos el flujo de trabajo, justificamos las decisiones de diseño tomadas, explicamos su API pública y hacemos una demostración paso a paso de su funcionamiento. Además mostramos, a través de un ejemplo sencillo, la forma en que conectar nuevas extensiones a la herramienta con las interfaces ya existentes para poder así expandir y mejorar las capacidades de HOPLITE. ABSTRACT Using fixed-point arithmetic is one of the most common design choices for systems where area, power or throughput are heavily constrained. In order to produce implementations where the cost is minimized without negatively impacting the accuracy of the results, a careful assignment of word-lengths is required. The problem of finding the optimal combination of fixed-point word-lengths for a given system is a combinatorial NP-hard problem to which developers devote between 25 and 50% of the design-cycle time. Reconfigurable hardware platforms such as FPGAs also benefit of the advantages of fixed-point arithmetic, as it compensates for the slower clock frequencies and less efficient area utilization of the hardware platform with respect to ASICs. As FPGAs become commonly used for scientific computation, designs constantly grow larger and more complex, up to the point where they cannot be handled efficiently by current signal and quantization noise modelling and word-length optimization methodologies. In this Ph.D. Thesis we explore different aspects of the quantization problem and we present new methodologies for each of them: The techniques based on extensions of intervals have allowed to obtain accurate models of the signal and quantization noise propagation in systems with non-linear operations. We take this approach a step further by introducing elements of MultiElement Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) and combining them with an stateof- the-art Statistical Modified Affine Arithmetic (MAA) based methodology in order to model systems that contain control-flow structures. Our methodology produces the different execution paths automatically, determines the regions of the input domain that will exercise them, and extracts the system statistical moments from the partial results. We use this technique to estimate both the dynamic range and the round-off noise in systems with the aforementioned control-flow structures. We show the good accuracy of our approach, which in some case studies with non-linear operators shows a 0.04 % deviation respect to the simulation-based reference values. A known drawback of the techniques based on extensions of intervals is the combinatorial explosion of terms as the size of the targeted systems grows, which leads to scalability problems. To address this issue we present a clustered noise injection technique that groups the signals in the system, introduces the noise terms in each group independently and then combines the results at the end. In this way, the number of noise sources in the system at a given time is controlled and, because of this, the combinato rial explosion is minimized. We also present a multi-way partitioning algorithm aimed at minimizing the deviation of the results due to the loss of correlation between noise terms, in order to keep the results as accurate as possible. This Ph.D. Thesis also covers the development of methodologies for word-length optimization based on Monte-Carlo simulations in reasonable times. We do so by presenting two novel techniques that explore the reduction of the execution times approaching the problem in two different ways: First, the interpolative method applies a simple but precise interpolator to estimate the sensitivity of each signal, which is later used to guide the optimization effort. Second, the incremental method revolves on the fact that, although we strictly need to guarantee a certain confidence level in the simulations for the final results of the optimization process, we can do it with more relaxed levels, which in turn implies using a considerably smaller amount of samples, in the initial stages of the process, when we are still far from the optimized solution. Through these two approaches we demonstrate that the execution time of classical greedy techniques can be accelerated by factors of up to ×240 for small/medium sized problems. Finally, this book introduces HOPLITE, an automated, flexible and modular framework for quantization that includes the implementation of the previous techniques and is provided for public access. The aim is to offer a common ground for developers and researches for prototyping and verifying new techniques for system modelling and word-length optimization easily. We describe its work flow, justifying the taken design decisions, explain its public API and we do a step-by-step demonstration of its execution. We also show, through an example, the way new extensions to the flow should be connected to the existing interfaces in order to expand and improve the capabilities of HOPLITE.

Design and Optimization of Power Delivery and Distribution Systems Using Evolutionary Computation Techniques

Nowadays computing platforms consist of a very large number of components that require to be supplied with diferent voltage levels and power requirements. Even a very small platform, like a handheld computer, may contain more than twenty diferent loads and voltage regulators. The power delivery designers of these systems are required to provide, in a very short time, the right power architecture that optimizes the performance, meets electrical specifications plus cost and size targets. The appropriate selection of the architecture and converters directly defines the performance of a given solution. Therefore, the designer needs to be able to evaluate a significant number of options in order to know with good certainty whether the selected solutions meet the size, energy eficiency and cost targets. The design dificulties of selecting the right solution arise due to the wide range of power conversion products provided by diferent manufacturers. These products range from discrete components (to build converters) to complete power conversion modules that employ diferent manufacturing technologies. Consequently, in most cases it is not possible to analyze all the alternatives (combinations of power architectures and converters) that can be built. The designer has to select a limited number of converters in order to simplify the analysis. In this thesis, in order to overcome the mentioned dificulties, a new design methodology for power supply systems is proposed. This methodology integrates evolutionary computation techniques in order to make possible analyzing a large number of possibilities. This exhaustive analysis helps the designer to quickly define a set of feasible solutions and select the best trade-off in performance according to each application. The proposed approach consists of two key steps, one for the automatic generation of architectures and other for the optimized selection of components. In this thesis are detailed the implementation of these two steps. The usefulness of the methodology is corroborated by contrasting the results using real problems and experiments designed to test the limits of the algorithms.

Multi-microphone recordings (EigenMike32) inside a WFS system (Iosono) through Ambisonics techniques using Matlab

El audio multicanal ha avanzado a pasos agigantados en los últimos años, y no solo en las técnicas de reproducción, sino que en las de capitación también. Por eso en este proyecto se encuentran ambas cosas: un array microfónico, EigenMike32 de MH Acoustics, y un sistema de reproducción con tecnología Wave Field Synthesis, instalado Iosono en la Jade Höchscule Oldenburg. Para enlazar estos dos puntos de la cadena de audio se proponen dos tipos distintos de codificación: la reproducción de la toma horizontal del EigenMike32; y el 3er orden de Ambisonics (High Order Ambisonics, HOA), una técnica de codificación basada en Armónicos Esféricos mediante la cual se simula el campo acústico en vez de simular las distintas fuentes. Ambas se desarrollaron en el entorno Matlab y apoyadas por la colección de scripts de Isophonics llamada Spatial Audio Matlab Toolbox. Para probar éstas se llevaron a cabo una serie de test en los que se las comparó con las grabaciones realizadas a la vez con un Dummy Head, a la que se supone el método más aproximado a nuestro modo de escucha. Estas pruebas incluían otras grabaciones hechas con un Doble MS de Schoeps que se explican en el proyecto “Sally”. La forma de realizar éstas fue, una batería de 4 audios repetida 4 veces para cada una de las situaciones garbadas (una conversación, una clase, una calle y un comedor universitario). Los resultados fueron inesperados, ya que la codificación del tercer orden de HOA quedo por debajo de la valoración Buena, posiblemente debido a la introducción de material hecho para un array tridimensional dentro de uno de 2 dimensiones. Por el otro lado, la codificación que consistía en extraer los micrófonos del plano horizontal se mantuvo en el nivel de Buena en todas las situaciones. Se concluye que HOA debe seguir siendo probado con mayores conocimientos sobre Armónicos Esféricos; mientras que el otro codificador, mucho más sencillo, puede ser usado para situaciones sin mucha complejidad en cuanto a espacialidad. In the last years the multichannel audio has increased in leaps and bounds and not only in the playback techniques, but also in the recording ones. That is the reason of both things being in this project: a microphone array, EigenMike32 from MH Acoustics; and a playback system with Wave Field Synthesis technology, installed by Iosono in Jade Höchscule Oldenburg. To link these two points of the audio chain, 2 different kinds of codification are proposed: the reproduction of the EigenMike32´s horizontal take, and the Ambisonics´ third order (High Order Ambisonics, HOA), a codification technique based in Spherical Harmonics through which the acoustic field is simulated instead of the different sound sources. Both have been developed inside Matlab´s environment and supported by the Isophonics´ scripts collection called Spatial Audio Matlab Toolbox. To test these, a serial of tests were made in which they were compared with recordings made at the time by a Dummy Head, which is supposed to be the closest method to our hearing way. These tests included other recording and codifications made by a Double MS (DMS) from Schoeps which are explained in the project named “3D audio rendering through Ambisonics techniques: from multi-microphone recordings (DMS Schoeps) to a WFS system, through Matlab”. The way to perform the tests was, a collection made of 4 audios repeated 4 times for each recorded situation (a chat, a class, a street and college canteen or Mensa). The results were unexpected, because the HOA´s third order stood under the Well valuation, possibly caused by introducing material made for a tridimensional array inside one made only by 2 dimensions. On the other hand, the codification that consisted of extracting the horizontal plane microphones kept the Well valuation in all the situations. It is concluded that HOA should keep being tested with larger knowledge about Spherical Harmonics; while the other coder, quite simpler, can be used for situations without a lot of complexity with regards to spatiality.