Projecto de receptores integrados de banda larga

O presente trabalho tem como objectivo o estudo e projecto de receptores optimizados para sistemas de comunicações por fibra óptica de muito alto débito (10Gb/s e 40Gb/s), com a capacidade integrada de compensação adaptativa pós-detecção da distorção originada pela característica de dispersão cromática e de polarização do canal óptico. O capítulo 1 detalha o âmbito de aplicabilidade destes receptores em sistemas de comunicações ópticas com multiplexagem no comprimento de onda (WDM) actuais. O capítulo apresenta ainda os objectivos e principais contribuições desta tese. O capítulo 2 detalha o projecto de um amplificador pós-detecção adequado para sistemas de comunicação ópticos com taxa de transmissão de 10Gb/s. São discutidas as topologias mais adequadas para amplificadores pós detecção e apresentados os critérios que ditaram a escolha da topologia de transimpedância bem como as condições que permitem optimizar o seu desempenho em termos de largura de banda, ganho e ruído. Para além disso são abordados aspectos relacionados com a implementação física em tecnologia monolítica de microondas (MMIC), focando em particular o impacto destes no desempenho do circuito, como é o caso do efeito dos componentes extrínsecos ao circuito monolítico, em particular as ligações por fio condutor do monólito ao circuito externo. Este amplificador foi projectado e produzido em tecnologia pHEMT de Arsenieto de Gálio e implementado em tecnologia MMIC. O protótipo produzido foi caracterizado na fábrica, ainda na bolacha em que foi produzido (on-wafer) tendo sido obtidos dados de caracterização de 80 circuitos protótipo. Estes foram comparados com resultados de simulação e com desempenho do protótipo montado num veículo de teste. O capítulo 3 apresenta o projecto de dois compensadores eléctricos ajustáveis com a capacidade de mitigar os efeitos da dispersão cromática e da dispersão de polarização em sistemas ópticos com débito binário de 10Gb/s e 40Gb/s, com modulação em banda lateral dupla e banda lateral única. Duas topologias possíveis para este tipo de compensadores (a topologia Feed-Forward Equalizer e a topologia Decision Feedback Equaliser) são apresentadas e comparadas. A topologia Feed-Forward Equaliser que serviu de base para a implementação dos compensadores apresentados é analisada com mais detalhe sendo propostas alterações que permitem a sua implementação prática. O capítulo apresenta em detalhe a forma como estes compensadores foram implementados como circuitos distribuídos em tecnologia MMIC sendo propostas duas formas de implementar as células de ganho variável: com recurso à configuração cascode ou com recurso à configuração célula de Gilbert. São ainda apresentados resultados de simulação e experimentais (dos protótipos produzidos) que permitem tirar algumas conclusões sobre o desempenho das células de ganho com as duas configurações distintas. Por fim, o capítulo inclui ainda resultados de desempenho dos compensadores testados como compensadores de um sinal eléctrico afectado de distorção. No capítulo 4 é feita uma análise do impacto da modulação em banda lateral dupla (BLD) em comparação com a modulação em banda lateral única (BLU) num sistema óptico afectado de dispersão cromática e de polarização. Mostra-se que com modulação em BLU, como não há batimento entre portadoras das duas bandas laterais em consequência do processo quadrático de detecção e há preservação da informação da distorção cromática do canal (na fase do sinal), o uso deste tipo de modulação em sistemas de comunicação óptica permite maior tolerância à dispersão cromática e os compensadores eléctricos são muito mais eficientes. O capítulo apresenta ainda resultados de teste dos compensadores desenvolvidos em cenários experimentais de laboratório representativos de sistemas ópticos a 10Gb/s e 40Gb/s. Os resultados permitem comparar o desempenho destes cenários sem e com compensação eléctrica optimizada, para os casos de modulação em BLU e em BLD, e considerando ainda os efeitos da dispersão na velocidade de grupo e do atraso de grupo diferencial. Mostra-se que a modulação BLU em conjunto com compensação adaptativa eléctrica permite um desempenho muito superior á modulação em BLD largamente utilizada nos sistemas de comunicações actuais. Por fim o capítulo 5 sintetiza e apresenta as principais conclusões deste trabalho.

Flexible management of bandwidth and redundancy in fieldbuses

Os sistemas distribuídos embarcados (Distributed Embedded Systems – DES) têm sido usados ao longo dos últimos anos em muitos domínios de aplicação, da robótica, ao controlo de processos industriais passando pela aviónica e pelas aplicações veiculares, esperando-se que esta tendência continue nos próximos anos. A confiança no funcionamento é uma propriedade importante nestes domínios de aplicação, visto que os serviços têm de ser executados em tempo útil e de forma previsível, caso contrário, podem ocorrer danos económicos ou a vida de seres humanos poderá ser posta em causa. Na fase de projecto destes sistemas é impossível prever todos os cenários de falhas devido ao não determinismo do ambiente envolvente, sendo necessária a inclusão de mecanismos de tolerância a falhas. Adicionalmente, algumas destas aplicações requerem muita largura de banda, que também poderá ser usada para a evolução dos sistemas, adicionandolhes novas funcionalidades. A flexibilidade de um sistema é uma propriedade importante, pois permite a sua adaptação às condições e requisitos envolventes, contribuindo também para a simplicidade de manutenção e reparação. Adicionalmente, nos sistemas embarcados, a flexibilidade também é importante por potenciar uma melhor utilização dos, muitas vezes escassos, recursos existentes. Uma forma evidente de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas dos sistemas embarcados distribuídos é a replicação dos barramentos do sistema. Algumas soluções existentes, quer comerciais quer académicas, propõem a replicação dos barramentos para aumento da largura de banda ou para aumento da tolerância a falhas. No entanto e quase invariavelmente, o propósito é apenas um, sendo raras as soluções que disponibilizam uma maior largura de banda e um aumento da tolerância a falhas. Um destes raros exemplos é o FlexRay, com a limitação de apenas ser permitido o uso de dois barramentos. Esta tese apresentada e discute uma proposta para usar a replicação de barramentos de uma forma flexível com o objectivo duplo de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas. A flexibilidade dos protocolos propostos também permite a gestão dinâmica da topologia da rede, sendo o número de barramentos apenas limitado pelo hardware/software. As propostas desta tese foram validadas recorrendo ao barramento de campo CAN – Controller Area Network, escolhido devido à sua grande implantação no mercado. Mais especificamente, as soluções propostas foram implementadas e validadas usando um paradigma que combina flexibilidade com comunicações event-triggered e time-triggered: o FTT – Flexible Time- Triggered. No entanto, uma generalização para CAN nativo é também apresentada e discutida. A inclusão de mecanismos de replicação do barramento impõe a alteração dos antigos protocolos de replicação e substituição do nó mestre, bem como a definição de novos protocolos para esta finalidade. Este trabalho tira partido da arquitectura centralizada e da replicação do nó mestre para suportar de forma eficiente e flexível a replicação de barramentos. Em caso de ocorrência de uma falta num barramento (ou barramentos) que poderia provocar uma falha no sistema, os protocolos e componentes propostos nesta tese fazem com que o sistema reaja, mudando para um modo de funcionamento degradado. As mensagens que estavam a ser transmitidas nos barramentos onde ocorreu a falta são reencaminhadas para os outros barramentos. A replicação do nó mestre baseia-se numa estratégia líder-seguidores (leaderfollowers), onde o líder (leader) controla todo o sistema enquanto os seguidores (followers) servem como nós de reserva. Se um erro ocorrer no nó líder, um dos nós seguidores passará a controlar o sistema de uma forma transparente e mantendo as mesmas funcionalidades. As propostas desta tese foram também generalizadas para CAN nativo, tendo sido para tal propostos dois componentes adicionais. É, desta forma possível ter as mesmas capacidades de tolerância a falhas ao nível dos barramentos juntamente com a gestão dinâmica da topologia de rede. Todas as propostas desta tese foram implementadas e avaliadas. Uma implementação inicial, apenas com um barramento foi avaliada recorrendo a uma aplicação real, uma equipa de futebol robótico onde o protocolo FTT-CAN foi usado no controlo de movimento e da odometria. A avaliação do sistema com múltiplos barramentos foi feita numa plataforma de teste em laboratório. Para tal foi desenvolvido um sistema de injecção de faltas que permite impor faltas nos barramentos e nos nós mestre, e um sistema de medida de atrasos destinado a medir o tempo de resposta após a ocorrência de uma falta.

Novos dilemas, velhas soluções? - patronagem e governos partidários

A patronagem tem sido considerada uma importante dimensão do modelo de governos partidários. Contudo, a concepção convencional da utilização da patronagem remete para a distribuição de cargos na administração pública a ocorrer para efeitos de recompensa por serviços prestados ao partido no governo, ou como mecanismo de compensação relativamente à incapacidade do partido no governo de converter as preferências em políticas públicas. Esta perspectiva não é inteiramente satisfatória. A crescente complexificação e fragmentação dos processos de governação, juntamente com o poder das estruturas administrativas no processo de políticas públicas parece impelir os governos partidários a procurarem novas formas de controlar a máquina administrativa do Estado. Através do controlo político da administração, os partidos no governo procuram obter uma máquina administrativa responsiva e accountable, o que pode ter consequências para a prossecução dos objectivos de controlo de políticas públicas dos partidos no governo. Deste modo, a patronagem – definida como a distribuição de cargos na cúpula dirigente da administração pública e semi-pública – pode converter-se num recurso chave para os partidos ao nível do controlo do processo de políticas públicas, permitindo-lhes assegurar um papel na governação democrática moderna. Este estudo permite confirmar, em primeiro lugar, a incapacidade de, durante o período democrático, institucionalizar mecanismos legais que possam promover a profissionalização da administração pública. Tal decorre da acentuada tendência para a revisão do enquadramento legal, que acompanha a alternância partidária no governo, sem contudo, permitir configurar um quadro legal capaz de restringir a discricionariedade política formal sobre a máquina administrativa do Estado. Em segundo lugar Portugal surge, no contexto dos 19 países europeus analisados, entre os países com maior amplitude na discricionariedade política formal. Tal como os seus congéneres do Sul da Europa, Portugal tem sido considerado como um país onde a patronagem pode penetrar os níveis hierárquicos mais baixos, motivada por questões de recompensa partidária. Esta narrativa negligencia, contudo, as consideráveis diferenças que existem entre níveis hierárquico, ignorando as diferentes motivações para a patronagem. Além disso, a perspectiva de políticos, dirigentes e outros observadores, sugere que a utilização efectiva dos mecanismos de controlo ex ante é limitada em Portugal, quando comparado com outras democracias europeias, apontando para o limitado poder explicativo da legislação em relação ao recurso à patronagem. Esta investigação pretende, assim, reanalisar a narrativa relativa à influência partidária e ao papel da patronagem para os governos partidários em Portugal. Desta forma, o estudo da importância da patronagem para os governos partidários foi baseado na análise dos padrões de patronagem em Portugal, através da análise empírica de 10482 nomeações para a cúpula da estrutura dirigente. Esta análise quantitativa foi complementada por entrevistas a 51 dirigentes, ministros e observadores privilegiados, que especificam a operacionalização da patronagem e as estratégias utilizadas pelos partidos políticos. A análise destas duas fontes permitiu confirmar, em primeiro lugar, a existência de influências partidárias nas nomeações para a cúpula dirigente. Em segundo lugar, este estudo permite confirmar a coexistência das duas motivações da patronagem. Com efeito, a lógica das nomeações enquanto recompensa pode subsistir, ao mesmo tempo que tende a emergir um valor instrumental das nomeações, com estas a serem utilizadas (também) para reforçar o controlo político e reduzir os riscos associados ao processo de delegação. Contudo, as diferentes motivações da patronagem podem variar consoante o nível hierárquico e a fase do ciclo governativo. Enquanto instrumento de poder, a patronagem pode ser identificada nos níveis hierárquicos mais elevados. Pelo contrário, as motivações de recompensa emergem nas posições hierárquicas mais baixas, menos sujeitas ao controlo dos partidos da oposição e dos eleitores. A patronagem de poder tende, ainda, a ser mais saliente nas etapas iniciais dos mandatos governativos, com as motivações de recompensa a poderem ser identificadas no final dos mandatos. Em terceiro lugar, os resultados sugerem que a utilização da patronagem depende da competição partidária, com a acção fiscalizadora dos partidos da oposição a poder limitar as nomeações para cargos na cúpula da estrutura administrativa sem, contudo, poder impedir as nomeações para os níveis hierárquicos menos visíveis (estruturas intermédias, serviços periféricos e gabinetes ministeriais). Em quarto lugar, a politização estrutural emerge como uma estratégia que permite aos governos partidários contornarem a indiferença da administração pública face a novas prioridades políticas, ao mesmo tempo que parece emergir como um instrumento que permite legitimar as opções políticas dos governos partidários ou adiar decisões nas áreas sectoriais menos importantes para os governos partidários. De uma forma geral, os governos partidários parecem recorrer a velhos instrumentos como a patronagem, com uma solução para os novos dilemas que se colocam ao controlo partidário do processo de políticas públicas.

On the application of optimal control techniques in lossy fieldbuses

The performance of real-time networks is under continuous improvement as a result of several trends in the digital world. However, these tendencies not only cause improvements, but also exacerbates a series of unideal aspects of real-time networks such as communication latency, jitter of the latency and packet drop rate. This Thesis focuses on the communication errors that appear on such realtime networks, from the point-of-view of automatic control. Specifically, it investigates the effects of packet drops in automatic control over fieldbuses, as well as the architectures and optimal techniques for their compensation. Firstly, a new approach to address the problems that rise in virtue of such packet drops, is proposed. This novel approach is based on the simultaneous transmission of several values in a single message. Such messages can be from sensor to controller, in which case they are comprised of several past sensor readings, or from controller to actuator in which case they are comprised of estimates of several future control values. A series of tests reveal the advantages of this approach. The above-explained approach is then expanded as to accommodate the techniques of contemporary optimal control. However, unlike the aforementioned approach, that deliberately does not send certain messages in order to make a more efficient use of network resources; in the second case, the techniques are used to reduce the effects of packet losses. After these two approaches that are based on data aggregation, it is also studied the optimal control in packet dropping fieldbuses, using generalized actuator output functions. This study ends with the development of a new optimal controller, as well as the function, among the generalized functions that dictate the actuator’s behaviour in the absence of a new control message, that leads to the optimal performance. The Thesis also presents a different line of research, related with the output oscillations that take place as a consequence of the use of classic co-design techniques of networked control. The proposed algorithm has the goal of allowing the execution of such classical co-design algorithms without causing an output oscillation that increases the value of the cost function. Such increases may, under certain circumstances, negate the advantages of the application of the classical co-design techniques. A yet another line of research, investigated algorithms, more efficient than contemporary ones, to generate task execution sequences that guarantee that at least a given number of activated jobs will be executed out of every set composed by a predetermined number of contiguous activations. This algorithm may, in the future, be applied to the generation of message transmission patterns in the above-mentioned techniques for the efficient use of network resources. The proposed task generation algorithm is better than its predecessors in the sense that it is capable of scheduling systems that cannot be scheduled by its predecessor algorithms. The Thesis also presents a mechanism that allows to perform multi-path routing in wireless sensor networks, while ensuring that no value will be counted in duplicate. Thereby, this technique improves the performance of wireless sensor networks, rendering them more suitable for control applications. As mentioned before, this Thesis is centered around techniques for the improvement of performance of distributed control systems in which several elements are connected through a fieldbus that may be subject to packet drops. The first three approaches are directly related to this topic, with the first two approaching the problem from an architectural standpoint, whereas the third one does so from more theoretical grounds. The fourth approach ensures that the approaches to this and similar problems that can be found in the literature that try to achieve goals similar to objectives of this Thesis, can do so without causing other problems that may invalidate the solutions in question. Then, the thesis presents an approach to the problem dealt with in it, which is centered in the efficient generation of the transmission patterns that are used in the aforementioned approaches.

Characterization of RSOA modulators in radio over fiber links

In this work physical and behavioral models for a bulk Reflective Semiconductor Optical Amplifier (RSOA) modulator in Radio over Fiber (RoF) links are proposed. The transmission performance of the RSOA modulator is predicted under broadband signal drive. At first, the simplified physical model for the RSOA modulator in RoF links is proposed, which is based on the rate equation and traveling-wave equations with several assumptions. The model is implemented with the Symbolically Defined Devices (SDD) in Advanced Design System (ADS) and validated with experimental results. Detailed analysis regarding optical gain, harmonic and intermodulation distortions, and transmission performance is performed. The distribution of the carrier and Amplified Spontaneous Emission (ASE) is also demonstrated. Behavioral modeling of the RSOA modulator is to enable us to investigate the nonlinear distortion of the RSOA modulator from another perspective in system level. The Amplitude-to-Amplitude Conversion (AM-AM) and Amplitude-to-Phase Conversion (AM-PM) distortions of the RSOA modulator are demonstrated based on an Artificial Neural Network (ANN) and a generalized polynomial model. Another behavioral model based on Xparameters was obtained from the physical model. Compensation of the nonlinearity of the RSOA modulator is carried out based on a memory polynomial model. The nonlinear distortion of the RSOA modulator is reduced successfully. The improvement of the 3rd order intermodulation distortion is up to 17 dB. The Error Vector Magnitude (EVM) is improved from 6.1% to 2.0%. In the last part of this work, the performance of Fibre Optic Networks for Distributed and Extendible Heterogeneous Radio Architectures and Service Provisioning (FUTON) systems, which is the four-channel virtual Multiple Input Multiple Output (MIMO), is predicted by using the developed physical model. Based on Subcarrier Multiplexing (SCM) techniques, four-channel signals with 100 MHz bandwidth per channel are generated and used to drive the RSOA modulator. The transmission performance of the RSOA modulator under the broadband multi channels is depicted with the figure of merit, EVM under di erent adrature Amplitude Modulation (QAM) level of 64 and 254 for various number of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) subcarriers of 64, 512, 1024 and 2048.

Avaliação de risco ambiental na indústria em regime de responsabilidade ambiental

O presente relatório surgiu na sequência do estágio curricular realizado na empresa Envienergy - Ambiente e Energia, Lda. O tema do estágio resultou da necessidade de responsabilização das empresas pelos danos ambientais que possam surgir da sua atividade, segundo as disposições da Diretiva n.º 2004/35/CE, de 21 de Abril, transposta para o regime jurídico nacional pelo Decreto-Lei n.º 147/2008, de 29 de julho, também conhecido por Diploma da Responsabilidade Ambiental. No âmbito deste regime de responsabilidade, desenvolveu-se e aplicou-se a um caso de estudo, uma metodologia de avaliação de riscos ambientais, com posterior cálculo da garantia financeira. O caso de estudo foi uma empresa industrial da área da cerâmica, de médias dimensões, cliente da Envienergy. A metodologia consistiu numa apreciação do estado inicial do ambiente envolvente à empresa em estudo (designada como CERÂMICA), levantamento dos riscos da sua atividade, formulação de cenários de acidentes, avaliação da severidade e da probabilidade dos riscos de acidente e estimativa dos custos de reparação e compensação ambiental dos danos que a atividade possa provocar (a garantia financeira). Segundo esta metodologia, o caso de estudo requer uma garantia financeira no valor de 26.125€, correspondente ao valor financeiro necessário para assegurar que seja possível à indústria avaliada a responsabilização ambiental por danos provocados pela sua atividade. A metodologia também prevê a sugestão de medidas de redução de risco e, considerando a aplicação dessas medidas, a reavaliação dos riscos e da garantia financeira. Desta reavaliação resultou uma garantia financeira estimada em 5.403€. A avaliação de riscos ambientais feita à indústria cerâmica serviu para testar e comprovar a adaptabilidade da metodologia a um caso real. Os resultados obtidos foram satisfatórios, e a metodologia está apta a ser aplicada a casos de estudo de dimensão semelhantes ao caso de estudo avaliado neste relatório.

Digital nonlinear equalization for optical transmission systems

This thesis focuses on digital equalization of nonlinear fiber impairments for coherent optical transmission systems. Building from well-known physical models of signal propagation in single-mode optical fibers, novel nonlinear equalization techniques are proposed, numerically assessed and experimentally demonstrated. The structure of the proposed algorithms is strongly driven by the optimization of the performance versus complexity tradeoff, envisioning the near-future practical application in commercial real-time transceivers. The work is initially focused on the mitigation of intra-channel nonlinear impairments relying on the concept of digital backpropagation (DBP) associated with Volterra-based filtering. After a comprehensive analysis of the third-order Volterra kernel, a set of critical simplifications are identified, culminating in the development of reduced complexity nonlinear equalization algorithms formulated both in time and frequency domains. The implementation complexity of the proposed techniques is analytically described in terms of computational effort and processing latency, by determining the number of real multiplications per processed sample and the number of serial multiplications, respectively. The equalization performance is numerically and experimentally assessed through bit error rate (BER) measurements. Finally, the problem of inter-channel nonlinear compensation is addressed within the context of 400 Gb/s (400G) superchannels for long-haul and ultra-long-haul transmission. Different superchannel configurations and nonlinear equalization strategies are experimentally assessed, demonstrating that inter-subcarrier nonlinear equalization can provide an enhanced signal reach while requiring only marginal added complexity.