Maximum likelihood estimation of new state space models for operational modal analysis

The modal analysis of a structural system consists on computing its vibrational modes. The experimental way to estimate these modes requires to excite the system with a measured or known input and then to measure the system output at different points using sensors. Finally, system inputs and outputs are used to compute the modes of vibration. When the system refers to large structures like buildings or bridges, the tests have to be performed in situ, so it is not possible to measure system inputs such as wind, traffic, . . .Even if a known input is applied, the procedure is usually difficult and expensive, and there are still uncontrolled disturbances acting at the time of the test. These facts led to the idea of computing the modes of vibration using only the measured vibrations and regardless of the inputs that originated them, whether they are ambient vibrations (wind, earthquakes, . . . ) or operational loads (traffic, human loading, . . . ). This procedure is usually called Operational Modal Analysis (OMA), and in general consists on to fit a mathematical model to the measured data assuming the unobserved excitations are realizations of a stationary stochastic process (usually white noise processes). Then, the modes of vibration are computed from the estimated model. The first issue investigated in this thesis is the performance of the Expectation- Maximization (EM) algorithm for the maximum likelihood estimation of the state space model in the field of OMA. The algorithm is described in detail and it is analysed how to apply it to vibration data. After that, it is compared to another well known method, the Stochastic Subspace Identification algorithm. The maximum likelihood estimate enjoys some optimal properties from a statistical point of view what makes it very attractive in practice, but the most remarkable property of the EM algorithm is that it can be used to address a wide range of situations in OMA. In this work, three additional state space models are proposed and estimated using the EM algorithm: • The first model is proposed to estimate the modes of vibration when several tests are performed in the same structural system. Instead of analyse record by record and then compute averages, the EM algorithm is extended for the joint estimation of the proposed state space model using all the available data. • The second state space model is used to estimate the modes of vibration when the number of available sensors is lower than the number of points to be tested. In these cases it is usual to perform several tests changing the position of the sensors from one test to the following (multiple setups of sensors). Here, the proposed state space model and the EM algorithm are used to estimate the modal parameters taking into account the data of all setups. • And last, a state space model is proposed to estimate the modes of vibration in the presence of unmeasured inputs that cannot be modelled as white noise processes. In these cases, the frequency components of the inputs cannot be separated from the eigenfrequencies of the system, and spurious modes are obtained in the identification process. The idea is to measure the response of the structure corresponding to different inputs; then, it is assumed that the parameters common to all the data correspond to the structure (modes of vibration), and the parameters found in a specific test correspond to the input in that test. The problem is solved using the proposed state space model and the EM algorithm. Resumen El análisis modal de un sistema estructural consiste en calcular sus modos de vibración. Para estimar estos modos experimentalmente es preciso excitar el sistema con entradas conocidas y registrar las salidas del sistema en diferentes puntos por medio de sensores. Finalmente, los modos de vibración se calculan utilizando las entradas y salidas registradas. Cuando el sistema es una gran estructura como un puente o un edificio, los experimentos tienen que realizarse in situ, por lo que no es posible registrar entradas al sistema tales como viento, tráfico, . . . Incluso si se aplica una entrada conocida, el procedimiento suele ser complicado y caro, y todavía están presentes perturbaciones no controladas que excitan el sistema durante el test. Estos hechos han llevado a la idea de calcular los modos de vibración utilizando sólo las vibraciones registradas en la estructura y sin tener en cuenta las cargas que las originan, ya sean cargas ambientales (viento, terremotos, . . . ) o cargas de explotación (tráfico, cargas humanas, . . . ). Este procedimiento se conoce en la literatura especializada como Análisis Modal Operacional, y en general consiste en ajustar un modelo matemático a los datos registrados adoptando la hipótesis de que las excitaciones no conocidas son realizaciones de un proceso estocástico estacionario (generalmente ruido blanco). Posteriormente, los modos de vibración se calculan a partir del modelo estimado. El primer problema que se ha investigado en esta tesis es la utilización de máxima verosimilitud y el algoritmo EM (Expectation-Maximization) para la estimación del modelo espacio de los estados en el ámbito del Análisis Modal Operacional. El algoritmo se describe en detalle y también se analiza como aplicarlo cuando se dispone de datos de vibraciones de una estructura. A continuación se compara con otro método muy conocido, el método de los Subespacios. Los estimadores máximo verosímiles presentan una serie de propiedades que los hacen óptimos desde un punto de vista estadístico, pero la propiedad más destacable del algoritmo EM es que puede utilizarse para resolver un amplio abanico de situaciones que se presentan en el Análisis Modal Operacional. En este trabajo se proponen y estiman tres modelos en el espacio de los estados: • El primer modelo se utiliza para estimar los modos de vibración cuando se dispone de datos correspondientes a varios experimentos realizados en la misma estructura. En lugar de analizar registro a registro y calcular promedios, se utiliza algoritmo EM para la estimación conjunta del modelo propuesto utilizando todos los datos disponibles. • El segundo modelo en el espacio de los estados propuesto se utiliza para estimar los modos de vibración cuando el número de sensores disponibles es menor que vi Resumen el número de puntos que se quieren analizar en la estructura. En estos casos es usual realizar varios ensayos cambiando la posición de los sensores de un ensayo a otro (múltiples configuraciones de sensores). En este trabajo se utiliza el algoritmo EM para estimar los parámetros modales teniendo en cuenta los datos de todas las configuraciones. • Por último, se propone otro modelo en el espacio de los estados para estimar los modos de vibración en la presencia de entradas al sistema que no pueden modelarse como procesos estocásticos de ruido blanco. En estos casos, las frecuencias de las entradas no se pueden separar de las frecuencias del sistema y se obtienen modos espurios en la fase de identificación. La idea es registrar la respuesta de la estructura correspondiente a diferentes entradas; entonces se adopta la hipótesis de que los parámetros comunes a todos los registros corresponden a la estructura (modos de vibración), y los parámetros encontrados en un registro específico corresponden a la entrada en dicho ensayo. El problema se resuelve utilizando el modelo propuesto y el algoritmo EM.

Maximum Likelihood Estimation of Modal Parameters in Structures Using the Expectation Maximization Algorithm

This paper presents a time-domain stochastic system identification method based on maximum likelihood estimation (MLE) with the expectation maximization (EM) algorithm. The effectiveness of this structural identification method is evaluated through numerical simulation in the context of the ASCE benchmark problem on structural health monitoring. The benchmark structure is a four-story, two-bay by two-bay steel-frame scale model structure built in the Earthquake Engineering Research Laboratory at the University of British Columbia, Canada. This paper focuses on Phase I of the analytical benchmark studies. A MATLAB-based finite element analysis code obtained from the IASC-ASCE SHM Task Group web site is used to calculate the dynamic response of the prototype structure. A number of 100 simulations have been made using this MATLAB-based finite element analysis code in order to evaluate the proposed identification method. There are several techniques to realize system identification. In this work, stochastic subspace identification (SSI)method has been used for comparison. SSI identification method is a well known method and computes accurate estimates of the modal parameters. The principles of the SSI identification method has been introduced in the paper and next the proposed MLE with EM algorithm has been explained in detail. The advantages of the proposed structural identification method can be summarized as follows: (i) the method is based on maximum likelihood, that implies minimum variance estimates; (ii) EM is a computational simpler estimation procedure than other optimization algorithms; (iii) estimate more parameters than SSI, and these estimates are accurate. On the contrary, the main disadvantages of the method are: (i) EM algorithm is an iterative procedure and it consumes time until convergence is reached; and (ii) this method needs starting values for the parameters. Modal parameters (eigenfrequencies, damping ratios and mode shapes) of the benchmark structure have been estimated using both the SSI method and the proposed MLE + EM method. The numerical results show that the proposed method identifies eigenfrequencies, damping ratios and mode shapes reasonably well even in the presence of 10% measurement noises. These modal parameters are more accurate than the SSI estimated modal parameters.

State space models for multi-setup operational modal analysis

Operational Modal Analysis consists on estimate the modal parameters of a structure (natural frequencies, damping ratios and modal vectors) from output-only vibration measurements. The modal vectors can be only estimated where a sensor is placed, so when the number of available sensors is lower than the number of tested points, it is usual to perform several tests changing the position of the sensors from one test to the following (multiple setups of sensors): some sensors stay at the same position from setup to setup, and the other sensors change the position until all the tested points are covered. The permanent sensors are then used to merge the mode shape estimated at each setup (or partial modal vectors) into global modal vectors. Traditionally, the partial modal vectors are estimated independently setup by setup, and the global modal vectors are obtained in a postprocess phase. In this work we present two state space models that can be used to process all the recorded setups at the same time, and we also present how these models can be estimated using the maximum likelihood method. The result is that the global mode shape of each mode is obtained automatically, and subsequently, a single value for the natural frequency and damping ratio of the mode is computed. Finally, both models are compared using real measured data.

Operational modal analisys using joint statistical analysis of multiple records

In Operational Modal Analysis (OMA) of a structure, the data acquisition process may be repeated many times. In these cases, the analyst has several similar records for the modal analysis of the structure that have been obtained at di�erent time instants (multiple records). The solution obtained varies from one record to another, sometimes considerably. The differences are due to several reasons: statistical errors of estimation, changes in the external forces (unmeasured forces) that modify the output spectra, appearance of spurious modes, etc. Combining the results of the di�erent individual analysis is not straightforward. To solve the problem, we propose to make the joint estimation of the parameters using all the records. This can be done in a very simple way using state space models and computing the estimates by maximum-likelihood. The method provides a single result for the modal parameters that combines optimally all the records.

Técnicas de análisis, caracterización y detección de señales de voz en entornos acústicos adversos

Este trabajo de Tesis ha abordado el objetivo de dar robustez y mejorar la Detección de Actividad de Voz en entornos acústicos adversos con el fin de favorecer el comportamiento de muchas aplicaciones vocales, por ejemplo aplicaciones de telefonía basadas en reconocimiento automático de voz, aplicaciones en sistemas de transcripción automática, aplicaciones en sistemas multicanal, etc. En especial, aunque se han tenido en cuenta todos los tipos de ruido, se muestra especial interés en el estudio de las voces de fondo, principal fuente de error de la mayoría de los Detectores de Actividad en la actualidad. Las tareas llevadas a cabo poseen como punto de partida un Detector de Actividad basado en Modelos Ocultos de Markov, cuyo vector de características contiene dos componentes: la energía normalizada y la variación de la energía. Las aportaciones fundamentales de esta Tesis son las siguientes: 1) ampliación del vector de características de partida dotándole así de información espectral, 2) ajuste de los Modelos Ocultos de Markov al entorno y estudio de diferentes topologías y, finalmente, 3) estudio e inclusión de nuevas características, distintas de las del punto 1, para filtrar los pulsos de pronunciaciones que proceden de las voces de fondo. Los resultados de detección, teniendo en cuenta los tres puntos anteriores, muestran con creces los avances realizados y son significativamente mejores que los resultados obtenidos, bajo las mismas condiciones, con otros detectores de actividad de referencia. This work has been focused on improving the robustness at Voice Activity Detection in adverse acoustic environments in order to enhance the behavior of many vocal applications, for example telephony applications based on automatic speech recognition, automatic transcription applications, multichannel systems applications, and so on. In particular, though all types of noise have taken into account, this research has special interest in the study of pronunciations coming from far-field speakers, the main error source of most activity detectors today. The tasks carried out have, as starting point, a Hidden Markov Models Voice Activity Detector which a feature vector containing two components: normalized energy and delta energy. The key points of this Thesis are the following: 1) feature vector extension providing spectral information, 2) Hidden Markov Models adjustment to environment and study of different Hidden Markov Model topologies and, finally, 3) study and inclusion of new features, different from point 1, to reject the pronunciations coming from far-field speakers. Detection results, taking into account the above three points, show the advantages of using this method and are significantly better than the results obtained under the same conditions by other well-known voice activity detectors.

An approach to operational modal analysis using the expectation maximization algorithm

This paper presents the Expectation Maximization algorithm (EM) applied to operational modal analysis of structures. The EM algorithm is a general-purpose method for maximum likelihood estimation (MLE) that in this work is used to estimate state space models. As it is well known, the MLE enjoys some optimal properties from a statistical point of view, which make it very attractive in practice. However, the EM algorithm has two main drawbacks: its slow convergence and the dependence of the solution on the initial values used. This paper proposes two different strategies to choose initial values for the EM algorithm when used for operational modal analysis: to begin with the parameters estimated by Stochastic Subspace Identification method (SSI) and to start using random points. The effectiveness of the proposed identification method has been evaluated through numerical simulation and measured vibration data in the context of a benchmark problem. Modal parameters (natural frequencies, damping ratios and mode shapes) of the benchmark structure have been estimated using SSI and the EM algorithm. On the whole, the results show that the application of the EM algorithm starting from the solution given by SSI is very useful to identify the vibration modes of a structure, discarding the spurious modes that appear in high order models and discovering other hidden modes. Similar results are obtained using random starting values, although this strategy allows us to analyze the solution of several starting points what overcome the dependence on the initial values used.

HF spectrum activity prediction model based on HMM for cognitive radio applications

Although most of the research on Cognitive Radio is focused on communication bands above the HF upper limit (30 MHz), Cognitive Radio principles can also be applied to HF communications to make use of the extremely scarce spectrum more efficiently. In this work we consider legacy users as primary users since these users transmit without resorting to any smart procedure, and our stations using the HFDVL (HF Data+Voice Link) architecture as secondary users. Our goal is to enhance an efficient use of the HF band by detecting the presence of uncoordinated primary users and avoiding collisions with them while transmitting in different HF channels using our broad-band HF transceiver. A model of the primary user activity dynamics in the HF band is developed in this work to make short-term predictions of the sojourn time of a primary user in the band and avoid collisions. It is based on Hidden Markov Models (HMM) which are a powerful tool for modelling stochastic random processes and are trained with real measurements of the 14 MHz band. By using the proposed HMM based model, the prediction model achieves an average 10.3% prediction error rate with one minute-long channel knowledge but it can be reduced when this knowledge is extended: with the previous 8 min knowledge, an average 5.8% prediction error rate is achieved. These results suggest that the resulting activity model for the HF band could actually be used to predict primary users activity and included in a future HF cognitive radio based station.

Efficiency improvement of HF communications using cognitive radio principles

Cognitive Radio principles can be applied to HF communications to make a more efficient use of the extremely scarce spectrum. In this contribution we focus on analyzing the usage of the available channels done by the legacy users, which are regarded as primary users since they are allowed to transmit without resorting any smart procedure, and consider the possibilities for our stations -over the HFDVL (HF Data+Voice Link) architecture- to participate as secondary users. Our goal is to enhance an efficient use of the HF band by detecting the presence of uncoordinated primary users and avoiding collisions with them while transmitting in different HF channels using our broad-band HF transceiver. A model of the primary user activity dynamics in the HF band is developed in this work. It is based on Hidden Markov Models (HMM) which are a powerful tool for modelling stochastic random processes, and is trained with real measurements from the 14 MHz band.

Propuesta, implementación y evaluación de la biometría de firma en el aire como sistema de verificación en teléfonos móviles

En esta tesis doctoral se propone una técnica biométrica de verificación en teléfonos móviles consistente en realizar una firma en el aire con la mano que sujeta el teléfono móvil. Los acelerómetros integrados en el dispositivo muestrean las aceleraciones del movimiento de la firma en el aire, generando tres señales temporales que pueden utilizarse para la verificación del usuario. Se proponen varios enfoques para la implementación del sistema de verificación, a partir de los enfoques más utilizados en biometría de firma manuscrita: correspondencia de patrones, con variantes de los algoritmos de Needleman-Wusch (NW) y Dynamic Time Warping (DTW), modelos ocultos de Markov (HMM) y clasificador estadístico basado en Máquinas de Vector Soporte (SVM). Al no existir bases de datos públicas de firmas en el aire y con el fin de evaluar los métodos propuestos en esta tesis doctoral, se han capturado dos con distintas características; una con falsificaciones reales a partir del estudio de las grabaciones de usuarios auténticos y otra con muestras de usuarios obtenidas en diferentes sesiones a lo largo del tiempo. Utilizando estas bases de datos se han evaluado una gran cantidad de algoritmos para implementar un sistema de verificación basado en firma en el aire. Esta evaluación se ha realizado de acuerdo con el estándar ISO/IEC 19795, añadiendo el caso de verificación en mundo abierto no incluido en la norma. Además, se han analizado las características que hacen que una firma sea suficientemente segura. Por otro lado, se ha estudiado la permanencia de las firmas en el aire a lo largo del tiempo, proponiendo distintos métodos de actualización, basados en una adaptación dinámica del patrón, para mejorar su rendimiento. Finalmente, se ha implementado un prototipo de la técnica de firma en el aire para teléfonos Android e iOS. Los resultados de esta tesis doctoral han tenido un gran impacto, generando varias publicaciones en revistas internacionales, congresos y libros. La firma en el aire ha sido nombrada también en varias revistas de divulgación, portales de noticias Web y televisión. Además, se han obtenido varios premios en competiciones de ideas innovadoras y se ha firmado un acuerdo de explotación de la tecnología con una empresa extranjera. ABSTRACT This thesis proposes a biometric verification technique on mobile phones consisting on making a signature in the air with the hand holding a mobile phone. The accelerometers integrated in the device capture the movement accelerations, generating three temporal signals that can be used for verification. This thesis suggests several approaches for implementing the verification system, based on the most widely used approaches in handwritten signature biometrics: template matching, with a lot of variations of the Needleman- Wusch (NW) and Dynamic Time Warping (DTW) algorithms, Hidden Markov Models (HMM) and Supported Vector Machines (SVM). As there are no public databases of in-air signatures and with the aim of assessing the proposed methods, there have been captured two databases; one. with real falsification attempts from the study of recordings captured when genuine users made their signatures in front of a camera, and other, with samples obtained in different sessions over a long period of time. These databases have been used to evaluate a lot of algorithms in order to implement a verification system based on in-air signatures. This evaluation has been conducted according to the standard ISO/IEC 19795, adding the open-set verification scenario not included in the norm. In addition, the characteristics of a secure signature are also investigated, as well as the permanence of in-air signatures over time, proposing several updating strategies to improve its performance. Finally, a prototype of in-air signature has been developed for iOS and Android phones. The results of this thesis have achieved a high impact, publishing several articles in SCI journals, conferences and books. The in-air signature deployed in this thesis has been also referred in numerous media. Additionally, this technique has won several awards in the entrepreneurship field and also an exploitation agreement has been signed with a foreign company.

Human activity recognition by inertial signals obtained from a smartphone

Human Activity Recognition (HAR) is an emerging research field with the aim to identify the actions carried out by a person given a set of observations and the surrounding environment. The wide growth in this research field inside the scientific community is mainly explained by the high number of applications that are arising in the last years. A great part of the most promising applications are related to the healthcare field, where it is possible to track the mobility of patients with motor dysfunction as also the physical activity in patients with cardiovascular risk. Until a few years ago, by using distinct kind of sensors, a patient follow-up was possible. However, far from being a long-term solution and with the smartphone irruption, that monitoring can be achieved in a non-invasive way by using the embedded smartphone’s sensors. For these reasons this Final Degree Project arises with the main target to evaluate new feature extraction techniques in order to carry out an activity and user recognition, and also an activity segmentation. The recognition is done thanks to the inertial signals integration obtained by two widespread sensors in the greater part of smartphones: accelerometer and gyroscope. In particular, six different activities are evaluated walking, walking-upstairs, walking-downstairs, sitting, standing and lying. Furthermore, a segmentation task is carried out taking into account the activities performed by thirty users. This can be done by using Hidden Markov Models and also a set of tools tested satisfactory in speech recognition: HTK (Hidden Markov Model Toolkit).

Analysis of pattern recognition techniques for in-air signature biometrics

As a result of advances in mobile technology, new services which benefit from the ubiquity of these devices are appearing. Some of these services require the identification of the subject since they may access private user information. In this paper, we propose to identify each user by drawing his/her handwritten signature in the air (in-airsignature). In order to assess the feasibility of an in-airsignature as a biometric feature, we have analysed the performance of several well-known patternrecognitiontechniques—Hidden Markov Models, Bayes classifiers and dynamic time warping—to cope with this problem. Each technique has been tested in the identification of the signatures of 96 individuals. Furthermore, the robustness of each method against spoofing attacks has also been analysed using six impostors who attempted to emulate every signature. The best results in both experiments have been reached by using a technique based on dynamic time warping which carries out the recognition by calculating distances to an average template extracted from several training instances. Finally, a permanence analysis has been carried out in order to assess the stability of in-airsignature over time.

Design and Validation of an Optimized MB-OFDM Ultra Wideband Transceiver System

Esta tesis está incluida dentro del campo del campo de Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ultra Wideband (MB-OFDM UWB), el cual ha adquirido una gran importancia en las comunicaciones inalámbricas de alta tasa de datos en la última década. UWB surgió con el objetivo de satisfacer la creciente demanda de conexiones inalámbricas en interiores y de uso doméstico, con bajo coste y alta velocidad. La disponibilidad de un ancho de banda grande, el potencial para alta velocidad de transmisión, baja complejidad y bajo consumo de energía, unido al bajo coste de implementación, representa una oportunidad única para que UWB se convierta en una solución ampliamente utilizada en aplicaciones de Wireless Personal Area Network (WPAN). UWB está definido como cualquier transmisión que ocupa un ancho de banda de más de 20% de su frecuencia central, o más de 500 MHz. En 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) definió que el rango de frecuencias de transmisión de UWB legal es de 3.1 a 10.6 GHz, con una energía de transmisión de -41.3 dBm/Hz. Bajo las directrices de FCC, el uso de la tecnología UWB puede aportar una enorme capacidad en las comunicaciones de corto alcance. Considerando las ecuaciones de capacidad de Shannon, incrementar la capacidad del canal requiere un incremento lineal en el ancho de banda, mientras que un aumento similar de la capacidad de canal requiere un aumento exponencial en la energía de transmisión. En los últimos años, s diferentes desarrollos del UWB han sido extensamente estudiados en diferentes áreas, entre los cuales, el protocolo de comunicaciones inalámbricas MB-OFDM UWB está considerado como la mejor elección y ha sido adoptado como estándar ISO/IEC para los WPANs. Combinando la modulación OFDM y la transmisión de datos utilizando las técnicas de salto de frecuencia, el sistema MB-OFDM UWB es capaz de soportar tasas de datos con que pueden variar de los 55 a los 480 Mbps, alcanzando una distancia máxima de hasta 10 metros. Se esperara que la tecnología MB-OFDM tenga un consumo energético muy bajo copando un are muy reducida en silicio, proporcionando soluciones de bajo coste que satisfagan las demandas del mercado. Para cumplir con todas estas expectativas, el desarrollo y la investigación del MBOFDM UWB deben enfrentarse a varios retos, como son la sincronización de alta sensibilidad, las restricciones de baja complejidad, las estrictas limitaciones energéticas, la escalabilidad y la flexibilidad. Tales retos requieren un procesamiento digital de la señal de última generación, capaz de desarrollar sistemas que puedan aprovechar por completo las ventajas del espectro UWB y proporcionar futuras aplicaciones inalámbricas en interiores. Esta tesis se centra en la completa optimización de un sistema de transceptor de banda base MB-OFDM UWB digital, cuyo objetivo es investigar y diseñar un subsistema de comunicación inalámbrica para la aplicación de las Redes de Sensores Inalámbricas Visuales. La complejidad inherente de los procesadores FFT/IFFT y el sistema de sincronización así como la alta frecuencia de operación para todos los elementos de procesamiento, se convierten en el cuello de la botella para el diseño y la implementación del sistema de UWB digital en base de banda basado en MB-OFDM de baja energía. El objetivo del transceptor propuesto es conseguir baja energía y baja complejidad bajo la premisa de un alto rendimiento. Las optimizaciones están realizadas tanto a nivel algorítmico como a nivel arquitectural para todos los elementos del sistema. Una arquitectura hardware eficiente en consumo se propone en primer lugar para aquellos módulos correspondientes a núcleos de computación. Para el procesado de la Transformada Rápida de Fourier (FFT/IFFT), se propone un algoritmo mixed-radix, basado en una arquitectura con pipeline y se ha desarrollado un módulo de Decodificador de Viterbi (VD) equilibrado en coste-velocidad con el objetivo de reducir el consumo energético e incrementar la velocidad de procesamiento. También se ha implementado un correlador signo-bit simple basado en la sincronización del tiempo de símbolo es presentado. Este correlador es usado para detectar y sincronizar los paquetes de OFDM de forma robusta y precisa. Para el desarrollo de los subsitemas de procesamiento y realizar la integración del sistema completo se han empleado tecnologías de última generación. El dispositivo utilizado para el sistema propuesto es una FPGA Virtex 5 XC5VLX110T del fabricante Xilinx. La validación el propuesta para el sistema transceptor se ha implementado en dicha placa de FPGA. En este trabajo se presenta un algoritmo, y una arquitectura, diseñado con filosofía de co-diseño hardware/software para el desarrollo de sistemas de FPGA complejos. El objetivo principal de la estrategia propuesta es de encontrar una metodología eficiente para el diseño de un sistema de FPGA configurable optimizado con el empleo del mínimo esfuerzo posible en el sistema de procedimiento de verificación, por tanto acelerar el periodo de desarrollo del sistema. La metodología de co-diseño presentada tiene la ventaja de ser fácil de usar, contiene todos los pasos desde la propuesta del algoritmo hasta la verificación del hardware, y puede ser ampliamente extendida para casi todos los tipos de desarrollos de FPGAs. En este trabajo se ha desarrollado sólo el sistema de transceptor digital de banda base por lo que la comprobación de señales transmitidas a través del canal inalámbrico en los entornos reales de comunicación sigue requiriendo componentes RF y un front-end analógico. No obstante, utilizando la metodología de co-simulación hardware/software citada anteriormente, es posible comunicar el sistema de transmisor y el receptor digital utilizando los modelos de canales propuestos por IEEE 802.15.3a, implementados en MATLAB. Por tanto, simplemente ajustando las características de cada modelo de canal, por ejemplo, un incremento del retraso y de la frecuencia central, podemos estimar el comportamiento del sistema propuesto en diferentes escenarios y entornos. Las mayores contribuciones de esta tesis son: • Se ha propuesto un nuevo algoritmo 128-puntos base mixto FFT usando la arquitectura pipeline multi-ruta. Los complejos multiplicadores para cada etapa de procesamiento son diseñados usando la arquitectura modificada shiftadd. Los sistemas word length y twiddle word length son comparados y seleccionados basándose en la señal para cuantización del SQNR y el análisis de energías. • El desempeño del procesador IFFT es analizado bajo diferentes situaciones aritméticas de bloques de punto flotante (BFP) para el control de desbordamiento, por tanto, para encontrar la arquitectura perfecta del algoritmo IFFT basado en el procesador FFT propuesto. • Para el sistema de receptor MB-OFDM UWB se ha empleado una sincronización del tiempo innovadora, de baja complejidad y esquema de compensación, que consiste en funciones de Detector de Paquetes (PD) y Estimación del Offset del tiempo. Simplificando el cross-correlation y maximizar las funciones probables solo a sign-bit, la complejidad computacional se ve reducida significativamente. • Se ha propuesto un sistema de decodificadores Viterbi de 64 estados de decisión-débil usando velocidad base-4 de arquitectura suma-comparaselecciona. El algoritmo Two-pointer Even también es introducido en la unidad de rastreador de origen con el objetivo de conseguir la eficiencia en el hardware. • Se han integrado varias tecnologías de última generación en el completo sistema transceptor basebanda , con el objetivo de implementar un sistema de comunicación UWB altamente optimizado. • Un diseño de flujo mejorado es propuesto para el complejo sistema de implementación, el cual puede ser usado para diseños de Cadena de puertas de campo programable general (FPGA). El diseño mencionado no sólo reduce dramáticamente el tiempo para la verificación funcional, sino también provee un análisis automático como los errores del retraso del output para el sistema de hardware implementado. • Un ambiente de comunicación virtual es establecido para la validación del propuesto sistema de transceptores MB-OFDM. Este método es provisto para facilitar el uso y la conveniencia de analizar el sistema digital de basebanda sin parte frontera analógica bajo diferentes ambientes de comunicación. Esta tesis doctoral está organizada en seis capítulos. En el primer capítulo se encuentra una breve introducción al campo del UWB, tanto relacionado con el proyecto como la motivación del desarrollo del sistema de MB-OFDM. En el capítulo 2, se presenta la información general y los requisitos del protocolo de comunicación inalámbrica MBOFDM UWB. En el capítulo 3 se habla de la arquitectura del sistema de transceptor digital MB-OFDM de banda base . El diseño del algoritmo propuesto y la arquitectura para cada elemento del procesamiento está detallado en este capítulo. Los retos de diseño del sistema que involucra un compromiso de discusión entre la complejidad de diseño, el consumo de energía, el coste de hardware, el desempeño del sistema, y otros aspectos. En el capítulo 4, se ha descrito la co-diseñada metodología de hardware/software. Cada parte del flujo del diseño será detallado con algunos ejemplos que se ha hecho durante el desarrollo del sistema. Aprovechando esta estrategia de diseño, el procedimiento de comunicación virtual es llevado a cabo para probar y analizar la arquitectura del transceptor propuesto. Los resultados experimentales de la co-simulación y el informe sintético de la implementación del sistema FPGA son reflejados en el capítulo 5. Finalmente, en el capítulo 6 se incluye las conclusiones y los futuros proyectos, y también los resultados derivados de este proyecto de doctorado. ABSTRACT In recent years, the Wireless Visual Sensor Network (WVSN) has drawn great interest in wireless communication research area. They enable a wealth of new applications such as building security control, image sensing, and target localization. However, nowadays wireless communication protocols (ZigBee, Wi-Fi, and Bluetooth for example) cannot fully satisfy the demands of high data rate, low power consumption, short range, and high robustness requirements. New communication protocol is highly desired for such kind of applications. The Ultra Wideband (UWB) wireless communication protocol, which has increased in importance for high data rate wireless communication field, are emerging as an important topic for WVSN research. UWB has emerged as a technology that offers great promise to satisfy the growing demand for low-cost, high-speed digital wireless indoor and home networks. The large bandwidth available, the potential for high data rate transmission, and the potential for low complexity and low power consumption, along with low implementation cost, all present a unique opportunity for UWB to become a widely adopted radio solution for future Wireless Personal Area Network (WPAN) applications. UWB is defined as any transmission that occupies a bandwidth of more than 20% of its center frequency, or more than 500 MHz. In 2002, the Federal Communications Commission (FCC) has mandated that UWB radio transmission can legally operate in the range from 3.1 to 10.6 GHz at a transmitter power of －41.3 dBm/Hz. Under the FCC guidelines, the use of UWB technology can provide enormous capacity over short communication ranges. Considering Shannon’s capacity equations, increasing the channel capacity requires linear increasing in bandwidth, whereas similar channel capacity increases would require exponential increases in transmission power. In recent years, several different UWB developments has been widely studied in different area, among which, the MB-OFDM UWB wireless communication protocol is considered to be the leading choice and has recently been adopted in the ISO/IEC standard for WPANs. By combing the OFDM modulation and data transmission using frequency hopping techniques, the MB-OFDM UWB system is able to support various data rates, ranging from 55 to 480 Mbps, over distances up to 10 meters. The MB-OFDM technology is expected to consume very little power and silicon area, as well as provide low-cost solutions that can satisfy consumer market demands. To fulfill these expectations, MB-OFDM UWB research and development have to cope with several challenges, which consist of high-sensitivity synchronization, low- complexity constraints, strict power limitations, scalability, and flexibility. Such challenges require state-of-the-art digital signal processing expertise to develop systems that could fully take advantages of the UWB spectrum and support future indoor wireless applications. This thesis focuses on fully optimization for the MB-OFDM UWB digital baseband transceiver system, aiming at researching and designing a wireless communication subsystem for the Wireless Visual Sensor Networks (WVSNs) application. The inherent high complexity of the FFT/IFFT processor and synchronization system, and high operation frequency for all processing elements, becomes the bottleneck for low power MB-OFDM based UWB digital baseband system hardware design and implementation. The proposed transceiver system targets low power and low complexity under the premise of high performance. Optimizations are made at both algorithm and architecture level for each element of the transceiver system. The low-power hardwareefficient structures are firstly proposed for those core computation modules, i.e., the mixed-radix algorithm based pipelined architecture is proposed for the Fast Fourier Transform (FFT/IFFT) processor, and the cost-speed balanced Viterbi Decoder (VD) module is developed, in the aim of lowering the power consumption and increasing the processing speed. In addition, a low complexity sign-bit correlation based symbol timing synchronization scheme is presented so as to detect and synchronize the OFDM packets robustly and accurately. Moreover, several state-of-the-art technologies are used for developing other processing subsystems and an entire MB-OFDM digital baseband transceiver system is integrated. The target device for the proposed transceiver system is Xilinx Virtex 5 XC5VLX110T FPGA board. In order to validate the proposed transceiver system in the FPGA board, a unified algorithm-architecture-circuit hardware/software co-design environment for complex FPGA system development is presented in this work. The main objective of the proposed strategy is to find an efficient methodology for designing a configurable optimized FPGA system by using as few efforts as possible in system verification procedure, so as to speed up the system development period. The presented co-design methodology has the advantages of easy to use, covering all steps from algorithm proposal to hardware verification, and widely spread for almost all kinds of FPGA developments. Because only the digital baseband transceiver system is developed in this thesis, the validation of transmitting signals through wireless channel in real communication environments still requires the analog front-end and RF components. However, by using the aforementioned hardware/software co-simulation methodology, the transmitter and receiver digital baseband systems get the opportunity to communicate with each other through the channel models, which are proposed from the IEEE 802.15.3a research group, established in MATLAB. Thus, by simply adjust the characteristics of each channel model, e.g. mean excess delay and center frequency, we can estimate the transmission performance of the proposed transceiver system through different communication situations. The main contributions of this thesis are: • A novel mixed radix 128-point FFT algorithm by using multipath pipelined architecture is proposed. The complex multipliers for each processing stage are designed by using modified shift-add architectures. The system wordlength and twiddle word-length are compared and selected based on Signal to Quantization Noise Ratio (SQNR) and power analysis. • IFFT processor performance is analyzed under different Block Floating Point (BFP) arithmetic situations for overflow control, so as to find out the perfect architecture of IFFT algorithm based on the proposed FFT processor. • An innovative low complex timing synchronization and compensation scheme, which consists of Packet Detector (PD) and Timing Offset Estimation (TOE) functions, for MB-OFDM UWB receiver system is employed. By simplifying the cross-correlation and maximum likelihood functions to signbit only, the computational complexity is significantly reduced. • A 64 state soft-decision Viterbi Decoder system by using high speed radix-4 Add-Compare-Select architecture is proposed. Two-pointer Even algorithm is also introduced into the Trace Back unit in the aim of hardware-efficiency. • Several state-of-the-art technologies are integrated into the complete baseband transceiver system, in the aim of implementing a highly-optimized UWB communication system. • An improved design flow is proposed for complex system implementation which can be used for general Field-Programmable Gate Array (FPGA) designs. The design method not only dramatically reduces the time for functional verification, but also provides automatic analysis such as errors and output delays for the implemented hardware systems. • A virtual communication environment is established for validating the proposed MB-OFDM transceiver system. This methodology is proved to be easy for usage and convenient for analyzing the digital baseband system without analog frontend under different communication environments. This PhD thesis is organized in six chapters. In the chapter 1 a brief introduction to the UWB field, as well as the related work, is done, along with the motivation of MBOFDM system development. In the chapter 2, the general information and requirement of MB-OFDM UWB wireless communication protocol is presented. In the chapter 3, the architecture of the MB-OFDM digital baseband transceiver system is presented. The design of the proposed algorithm and architecture for each processing element is detailed in this chapter. Design challenges of such system involve trade-off discussions among design complexity, power consumption, hardware cost, system performance, and some other aspects. All these factors are analyzed and discussed. In the chapter 4, the hardware/software co-design methodology is proposed. Each step of this design flow will be detailed by taking some examples that we met during system development. Then, taking advantages of this design strategy, the Virtual Communication procedure is carried out so as to test and analyze the proposed transceiver architecture. Experimental results from the co-simulation and synthesis report of the implemented FPGA system are given in the chapter 5. The chapter 6 includes conclusions and future work, as well as the results derived from this PhD work.

Sistemas de gestión de puentes : optimización de estrategias de mantenimiento : implementación en redes locales de carreteras

En la actualidad, y en consonancia con la tendencia de “sostenibilidad” extendida a todos los campos y parcelas de la ciencia, nos encontramos con un área de estudio basado en la problemática del inevitable deterioro de las estructuras existentes, y la gestión de las acciones a realizar para mantener las condiciones de servicio de los puentes y prolongar su vida útil. Tal y como se comienza a ver en las inversiones en los países avanzados, con una larga tradición en el desarrollo de sus infraestructuras, se muestra claramente el nuevo marco al que nos dirigimos. Las nuevas tendencias van encaminadas cada vez más a la conservación y mantenimiento, reduciéndose las partidas presupuestarias destinadas a nuevas actuaciones, debido a la completa vertebración territorial que se ha ido instaurando en estos países, entre los que España se encuentra. Este nutrido patrimonio de infraestructuras viarias, que cuentan a su vez con un importante número de estructuras, hacen necesarias las labores de gestión y mantenimiento de los puentes integrantes en las mismas. Bajo estas premisas, la tesis aborda el estado de desarrollo de la implementación de los sistemas de gestión de puentes, las tendencias actuales e identificación de campos por desarrollar, así como la aplicación específica a redes de carreteras de escasos recursos, más allá de la Red Estatal. Además de analizar las diversas metodologías de formación de inventarios, realización de inspecciones y evaluación del estado de puentes, se ha enfocado, como principal objetivo, el desarrollo de un sistema específico de predicción del deterioro y ayuda a la toma de decisiones. Este sistema, adicionalmente a la configuración tradicional de criterios de formación de bases de datos de estructuras e inspecciones, plantea, de forma justificada, la clasificación relativa al conjunto de la red gestionada, según su estado de condición. Eso permite, mediante técnicas de optimización, la correcta toma de decisiones a los técnicos encargados de la gestión de la red. Dentro de los diversos métodos de evaluación de la predicción de evolución del deterioro de cada puente, se plantea la utilización de un método bilineal simplificado envolvente del ajuste empírico realizado y de los modelos markovianos como la solución más efectiva para abordar el análisis de la predicción de la propagación del daño. Todo ello explotando la campaña experimenta realizada que, a partir de una serie de “fotografías técnicas” del estado de la red de puentes gestionados obtenidas mediante las inspecciones realizadas, es capaz de mejorar el proceso habitual de toma de decisiones. Toda la base teórica reflejada en el documento, se ve complementada mediante la implementación de un Sistema de Gestión de Puentes (SGP) específico, adaptado según las necesidades y limitaciones de la administración a la que se ha aplicado, en concreto, la Dirección General de Carreteras de la Junta de Comunidades de Castilla-La Mancha, para una muestra representativa del conjunto de puentes de la red de la provincia de Albacete, partiendo de una situación en la que no existe, actualmente, un sistema formal de gestión de puentes. Tras un meditado análisis del estado del arte dentro de los Capítulos 2 y 3, se plantea un modelo de predicción del deterioro dentro del Capítulo 4 “Modelo de Predicción del Deterioro”. De la misma manera, para la resolución del problema de optimización, se justifica la utilización de un novedoso sistema de optimización secuencial elegido dentro del Capítulo 5, los “Algoritmos Evolutivos”, en sus diferentes variantes, como la herramienta matemática más correcta para distribuir adecuadamente los recursos económicos dedicados a mantenimiento y conservación de los que esta administración pueda disponer en sus partidas de presupuesto a medio plazo. En el Capítulo 6, y en diversos Anexos al presente documento, se muestran los datos y resultados obtenidos de la aplicación específica desarrollada para la red local analizada, utilizando el modelo de deterioro y optimización secuencial, que garantiza la correcta asignación de los escasos recursos de los que disponen las redes autonómicas en España. Se plantea con especial interés la implantación de estos sistemas en la red secundaria española, debido a que reciben en los últimos tiempos una mayor responsabilidad de gestión, con recursos cada vez más limitados. Finalmente, en el Capítulo 7, se plantean una serie de conclusiones que nos hacen reflexionar de la necesidad de comenzar a pasar, en materia de gestión de infraestructuras, de los estudios teóricos y los congresos, hacia la aplicación y la práctica, con un planteamiento que nos debe llevar a cambios importantes en la forma de concebir la labor del ingeniero y las enseñanzas que se imparten en las escuelas. También se enumeran las aportaciones originales que plantea el documento frente al actual estado del arte. Se plantean, de la misma manera, las líneas de investigación en materia de Sistemas de Gestión de Puentes que pueden ayudar a refinar y mejorar los actuales sistemas utilizados. In line with the development of "sustainability" extended to all fields of science, we are faced with the inevitable and ongoing deterioration of existing structures, leading nowadays to the necessary management of maintaining the service conditions and life time extension of bridges. As per the increased amounts of money that can be observed being spent in the countries with an extensive and strong tradition in the development of their infrastructure, the trend can be clearly recognized. The new tendencies turn more and more towards conservation and maintenance, reducing programmed expenses for new construction activities, in line with the already wellestablished territorial structures, as is the case for Spain. This significant heritage of established road infrastructure, consequently containing a vast number of structures, imminently lead to necessary management and maintenance of the including bridges. Under these conditions, this thesis focusses on the status of the development of the management implementation for bridges, current trends, and identifying areas for further development. This also includes the specific application to road networks with limited resources, beyond the national highways. In addition to analyzing the various training methodologies, inventory inspections and condition assessments of bridges, the main objective has been the development of a specific methodology. This methodology, in addition to the traditional system of structure and inspection database training criteria, sustains the classification for the entire road network, according to their condition. This allows, through optimization techniques, for the correct decision making by the technical managers of the network. Among the various methods for assessing the evolution forecast of deterioration of each bridge, a simplified bilinear envelope adjustment made empirical method and Markov models as the most effective solution to address the analysis of predicting the spread of damage, arising from a "technical snapshot" obtained through inspections of the condition of the bridges included in the investigated network. All theoretical basis reflected in the document, is completed by implementing a specific Bridges Management System (BMS), adapted according to the needs and limitations of the authorities for which it has been applied, being in this case particularly the General Highways Directorate of the autonomous region of Castilla-La Mancha, for a representative sample of all bridges in the network in the province of Albacete, starting from a situation where there is currently no formal bridge management system. After an analysis of the state of the art in Chapters 2 and 3, a new deterioration prediction model is developed in Chapter 4, "Deterioration Prediction Model". In the same way, to solve the optimization problem is proposed the use of a singular system of sequential optimization elected under Chapter 5, the "Evolutionary Algorithms", the most suitable mathematical tool to adequately distribute the economic resources for maintenance and conservation for mid-term budget planning. In Chapter 6, and in the various appendices, data and results are presented of the developed application for the analyzed local network, from the optimization model, which guarantees the correct allocation of scarce resources at the disposal of authorities responsible for the regional networks in Spain. The implementation of these systems is witnessed with particular interest for the Spanish secondary network, because of the increasing management responsibility, with decreasing resources. Chapter 7 presents a series of conclusions that triggers to reconsider shifting from theoretical studies and conferences towards a practical implementation, considering how to properly conceive the engineering input and the related education. The original contributions of the document are also listed. In the same way, the research on the Bridges Management System can help evaluating and improving the used systematics.

Regularization for sparsity in statistical analysis and machine learning

Pragmatism is the leading motivation of regularization. We can understand regularization as a modification of the maximum-likelihood estimator so that a reasonable answer could be given in an unstable or ill-posed situation. To mention some typical examples, this happens when fitting parametric or non-parametric models with more parameters than data or when estimating large covariance matrices. Regularization is usually used, in addition, to improve the bias-variance tradeoff of an estimation. Then, the definition of regularization is quite general, and, although the introduction of a penalty is probably the most popular type, it is just one out of multiple forms of regularization. In this dissertation, we focus on the applications of regularization for obtaining sparse or parsimonious representations, where only a subset of the inputs is used. A particular form of regularization, L1-regularization, plays a key role for reaching sparsity. Most of the contributions presented here revolve around L1-regularization, although other forms of regularization are explored (also pursuing sparsity in some sense). In addition to present a compact review of L1-regularization and its applications in statistical and machine learning, we devise methodology for regression, supervised classification and structure induction of graphical models. Within the regression paradigm, we focus on kernel smoothing learning, proposing techniques for kernel design that are suitable for high dimensional settings and sparse regression functions. We also present an application of regularized regression techniques for modeling the response of biological neurons. Supervised classification advances deal, on the one hand, with the application of regularization for obtaining a na¨ıve Bayes classifier and, on the other hand, with a novel algorithm for brain-computer interface design that uses group regularization in an efficient manner. Finally, we present a heuristic for inducing structures of Gaussian Bayesian networks using L1-regularization as a filter. El pragmatismo es la principal motivación de la regularización. Podemos entender la regularización como una modificación del estimador de máxima verosimilitud, de tal manera que se pueda dar una respuesta cuando la configuración del problema es inestable. A modo de ejemplo, podemos mencionar el ajuste de modelos paramétricos o no paramétricos cuando hay más parámetros que casos en el conjunto de datos, o la estimación de grandes matrices de covarianzas. Se suele recurrir a la regularización, además, para mejorar el compromiso sesgo-varianza en una estimación. Por tanto, la definición de regularización es muy general y, aunque la introducción de una función de penalización es probablemente el método más popular, éste es sólo uno de entre varias posibilidades. En esta tesis se ha trabajado en aplicaciones de regularización para obtener representaciones dispersas, donde sólo se usa un subconjunto de las entradas. En particular, la regularización L1 juega un papel clave en la búsqueda de dicha dispersión. La mayor parte de las contribuciones presentadas en la tesis giran alrededor de la regularización L1, aunque también se exploran otras formas de regularización (que igualmente persiguen un modelo disperso). Además de presentar una revisión de la regularización L1 y sus aplicaciones en estadística y aprendizaje de máquina, se ha desarrollado metodología para regresión, clasificación supervisada y aprendizaje de estructura en modelos gráficos. Dentro de la regresión, se ha trabajado principalmente en métodos de regresión local, proponiendo técnicas de diseño del kernel que sean adecuadas a configuraciones de alta dimensionalidad y funciones de regresión dispersas. También se presenta una aplicación de las técnicas de regresión regularizada para modelar la respuesta de neuronas reales. Los avances en clasificación supervisada tratan, por una parte, con el uso de regularización para obtener un clasificador naive Bayes y, por otra parte, con el desarrollo de un algoritmo que usa regularización por grupos de una manera eficiente y que se ha aplicado al diseño de interfaces cerebromáquina. Finalmente, se presenta una heurística para inducir la estructura de redes Bayesianas Gaussianas usando regularización L1 a modo de filtro.

Operational Modal Analysis using Expectation Maximization Algorithm

This paper presents a time-domain stochastic system identification method based on Maximum Likelihood Estimation and the Expectation Maximization algorithm. The effectiveness of this structural identification method is evaluated through numerical simulation in the context of the ASCE benchmark problem on structural health monitoring. Modal parameters (eigenfrequencies, damping ratios and mode shapes) of the benchmark structure have been estimated applying the proposed identification method to a set of 100 simulated cases. The numerical results show that the proposed method estimates all the modal parameters reasonably well in the presence of 30% measurement noise even. Finally, advantages and disadvantages of the method have been discussed.