Synthesis of FPGA-based accelerators implementing recursive algorithms

O desenvolvimento de sistemas computacionais é um processo complexo, com múltiplas etapas, que requer uma análise profunda do problema, levando em consideração as limitações e os requisitos aplicáveis. Tal tarefa envolve a exploração de técnicas alternativas e de algoritmos computacionais para optimizar o sistema e satisfazer os requisitos estabelecidos. Neste contexto, uma das mais importantes etapas é a análise e implementação de algoritmos computacionais. Enormes avanços tecnológicos no âmbito das FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) tornaram possível o desenvolvimento de sistemas de engenharia extremamente complexos. Contudo, o número de transístores disponíveis por chip está a crescer mais rapidamente do que a capacidade que temos para desenvolver sistemas que tirem proveito desse crescimento. Esta limitação já bem conhecida, antes de se revelar com FPGAs, já se verificava com ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) e tem vindo a aumentar continuamente. O desenvolvimento de sistemas com base em FPGAs de alta capacidade envolve uma grande variedade de ferramentas, incluindo métodos para a implementação eficiente de algoritmos computacionais. Esta tese pretende proporcionar uma contribuição nesta área, tirando partido da reutilização, do aumento do nível de abstracção e de especificações algorítmicas mais automatizadas e claras. Mais especificamente, é apresentado um estudo que foi levado a cabo no sentido de obter critérios relativos à implementação em hardware de algoritmos recursivos versus iterativos. Depois de serem apresentadas algumas das estratégias para implementar recursividade em hardware mais significativas, descreve-se, em pormenor, um conjunto de algoritmos para resolver problemas de pesquisa combinatória (considerados enquanto exemplos de aplicação). Versões recursivas e iterativas destes algoritmos foram implementados e testados em FPGA. Com base nos resultados obtidos, é feita uma cuidada análise comparativa. Novas ferramentas e técnicas de investigação que foram desenvolvidas no âmbito desta tese são também discutidas e demonstradas.

Multilayer optimization in radio resource allocation for the packet transmission in wireless networks

Na última década tem-se assistido a um crescimento exponencial das redes de comunicações sem fios, nomeadamente no que se refere a taxa de penetração do serviço prestado e na implementação de novas infra-estruturas em todo o globo. É ponto assente neste momento que esta tendência irá não só continuar como se fortalecer devido à convergência que é esperada entre as redes móveis sem fio e a disponibilização de serviços de banda larga para a rede Internet fixa, numa evolução para um paradigma de uma arquitectura integrada e baseada em serviços e aplicações IP. Por este motivo, as comunicações móveis sem fios irão ter um papel fundamental no desenvolvimento da sociedade de informação a médio e longo prazos. A estratégia seguida no projecto e implementação das redes móveis celulares da actual geração (2G e 3G) foi a da estratificação da sua arquitectura protocolar numa estrutura modular em camadas estanques, onde cada camada do modelo é responsável pela implementação de um conjunto de funcionalidades. Neste modelo a comunicação dá-se apenas entre camadas adjacentes através de primitivas de comunicação pré-estabelecidas. Este modelo de arquitectura resulta numa mais fácil implementação e introdução de novas funcionalidades na rede. Entretanto, o facto das camadas inferiores do modelo protocolar não utilizarem informação disponibilizada pelas camadas superiores, e vice-versa acarreta uma degradação no desempenho do sistema. Este paradigma é particularmente importante quando sistemas de antenas múltiplas são implementados (sistemas MIMO). Sistemas de antenas múltiplas introduzem um grau adicional de liberdade no que respeita a atribuição de recursos rádio: o domínio espacial. Contrariamente a atribuição de recursos no domínio do tempo e da frequência, no domínio espacial os recursos rádio mapeados no domínio espacial não podem ser assumidos como sendo completamente ortogonais, devido a interferência resultante do facto de vários terminais transmitirem no mesmo canal e/ou slots temporais mas em feixes espaciais diferentes. Sendo assim, a disponibilidade de informação relativa ao estado dos recursos rádio às camadas superiores do modelo protocolar é de fundamental importância na satisfação dos critérios de qualidade de serviço exigidos. Uma forma eficiente de gestão dos recursos rádio exige a implementação de algoritmos de agendamento de pacotes de baixo grau de complexidade, que definem os níveis de prioridade no acesso a esses recursos por base dos utilizadores com base na informação disponibilizada quer pelas camadas inferiores quer pelas camadas superiores do modelo. Este novo paradigma de comunicação, designado por cross-layer resulta na maximização da capacidade de transporte de dados por parte do canal rádio móvel, bem como a satisfação dos requisitos de qualidade de serviço derivados a partir da camada de aplicação do modelo. Na sua elaboração, procurou-se que o standard IEEE 802.16e, conhecido por Mobile WiMAX respeitasse as especificações associadas aos sistemas móveis celulares de quarta geração. A arquitectura escalonável, o baixo custo de implementação e as elevadas taxas de transmissão de dados resultam num processo de multiplexagem de dados e valores baixos no atraso decorrente da transmissão de pacotes, os quais são atributos fundamentais para a disponibilização de serviços de banda larga. Da mesma forma a comunicação orientada à comutação de pacotes, inenente na camada de acesso ao meio, é totalmente compatível com as exigências em termos da qualidade de serviço dessas aplicações. Sendo assim, o Mobile WiMAX parece satisfazer os requisitos exigentes das redes móveis de quarta geração. Nesta tese procede-se à investigação, projecto e implementação de algoritmos de encaminhamento de pacotes tendo em vista a eficiente gestão do conjunto de recursos rádio nos domínios do tempo, frequência e espacial das redes móveis celulares, tendo como caso prático as redes móveis celulares suportadas no standard IEEE802.16e. Os algoritmos propostos combinam métricas provenientes da camada física bem como os requisitos de qualidade de serviço das camadas superiores, de acordo com a arquitectura de redes baseadas no paradigma do cross-layer. O desempenho desses algoritmos é analisado a partir de simulações efectuadas por um simulador de sistema, numa plataforma que implementa as camadas física e de acesso ao meio do standard IEEE802.16e.

Phase equilibria modeling for biofuels production

Em consequência de uma série de problemas ambientais, económicos e políticos relacionados com o uso de combustíveis convencionais, vários países estão agora a focar as suas atenções em combustíveis alternativos. O biodiesel está na linha da frente das alternativas ao petróleo no sector dos transportes, sendo considerado uma opção a curto prazo visto que o seu preço é competitivo e não são necessárias mudanças nos motores para implementar o seu uso. De entres os possíveis processos de produzir biodiesel, a reacção de transesterificação com catálise básica é o método preferido. Depois da reacção são sempre necessários processos de purificação de modo ao biodiesel produzido cumprir os standards definidos para os combustíveis alternativos, reduzindo problemas de motor e consequentemente aumentando a sua aceitação por parte dos consumidores. De entre as especificações encontram-se o conteúdo em água, em álcool e em glicerol. Ser-se capaz de descrever correctamente o equilíbrio de fases de sistemas que são de interesse para os processos de purificação de biodieseis numa gama alargada de condições termodinâmicas é uma condição necessária para uma correcta simulação do processo industrial, de modo a se atingir uma elevada produtividade a baixos custos de operação. O uso de moléculas oxigenadas como combustíveis representa uma alteração significativa em termos da termodinâmica de soluções. Para combustíveis baseados em petróleo as equações de estado cúbicas e os modelos clássicos de coeficientes de actividade mostraram ser apropriados, no entanto para combustíveis novos como o biodiesel, sendo mais complexos do ponto de vista das interacções intermoleculares com formação de dipolos e pontes de hidrogénio, são necessários modelos termodinâmicos mais complexos para descrever essas interacções. Neste trabalho a CPA EoS (Cubic-Plus-Association Equation of State) será desenvolvida de modo a permitir uma descrição adequada dos equilíbrios líquido-vapor e líquido-líquido para uma serie de sistemas binários e multicomponentes contendo água, ácidos gordos, ésteres de ácidos gordos, glicerol e álcoois.

Study of multiferroic materials

The present PhD work aims the research and development of materials that exhibit multiferroic properties, in particular having a significant interaction between ferromagnetism and ferroelectricity; either directly within an intrinsic single phase or by combining extrinsic materials, achieving the coupling of properties through mechanic phenomena of the respective magnetostriction and piezoelectricity. These hybrid properties will allow the cross modification of magnetic and electric polarization states by the application of cross external magnetic and/or electric fields, giving way to a vast area for scientific investigation and potential technological applications in a new generation of electronic devices, such as computer memories, signal processing, transducers, sensors, etc. Initial experimental work consisted in chemical synthesis of nano powders oxides by urea pyrolysis method: A series of ceramic bulk composites with potential multiferroic properties comprised: of LuMnO3 with La0.7Sr0.3MnO3 and BaTiO3 with La0.7Ba0.3MnO3; and a series based on the intrinsic multiferroic LuMn1-zO3 phase modified with of Manganese vacancies. The acquisition of a new magnetron RF sputtering deposition system, in the Physics Department of Aveiro University, contributed to the proposal of an analogous experimental study in multiferroic thin films and multilayer samples. Besides the operational debut of this equipment several technical upgrades were completed like: the design and construction of the heater electrical contacts; specific shutters and supports for the magnetrons and for the substrate holder and; the addition of mass flow controllers, which allowed the introduction of N2 or O2 active atmosphere in the chamber; and the addition of a second RF generator, enabling co-deposition of different targets. Base study of the deposition conditions and resulting thin films characteristics in different substrates was made from an extensive list of targets. Particular attention was given to thin film deposition of magnetic phases La1-xSrxMnO3, La1-xBaxMnO3 and Ni2+x-yMn1-xGa1+y alloy, from the respective targets: La0.7Sr0.3MnO3, La0.7Ba0.3MnO3; and NiGa with NiMn. Main structural characterization of samples was performed by conventional and high resolution X-Ray Diffraction (XRD); chemical composition was determined by Electron Dispersion Spectroscopy (EDS); magnetization measurements recur to a Vibrating Sample Magnetometer (VSM) prototype; and surface probing (SPM) using Magnetic-Force (MFM) and Piezo-Response (PFM) Microscopy. Results clearly show that the composite bulk samples (LuM+LSM and BTO+LBM) feat the intended quality objectives in terms of phase composition and purity, having spurious contents below 0.5 %. SEM images confirm compact grain packaging and size distribution around the 50 nm scale. Electric conductivity, magnetization intensity and magneto impedance spreading response are coherent with the relative amount of magnetic phase in the sample. The existence of coupling between the functional phases is confirmed by the Magnetoelectric effect measurements of the sample “78%LuM+22%LSM” reaching 300% of electric response for 1 T at 100 kHz; while in the “78%BTO+22%LBM” sample the structural transitions of the magnetic phase at ~350 K result in a inversion of ME coefficient the behavior. A functional Magneto-Resistance measurement system was assembled from the concept stage until the, development and operational status; it enabled to test samples from 77 to 350 K, under an applied magnetic field up to 1 Tesla with 360º horizontal rotation; this system was also designed to measure Hall effect and has the potential to be further upgraded. Under collaboration protocols established with national and international institutions, complementary courses and sample characterization studies were performed using Magneto-Resistance (MR), Magneto-Impedance (MZ) and Magneto-Electric (ME) measurements; Raman and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS); SQUID and VSM magnetization; Scanning Electron Microscopy (SEM) and Rutherford Back Scattering (RBS); Scan Probe Microscopy (SPM) with Band Excitation Probe Spectroscopy (BEPS); Neutron Powder Diffraction (NPD) and Perturbed Angular Correlations (PAC). Additional collaboration in research projects outside the scope of multiferroic materials provided further experience in sample preparation and characterization techniques, namely VSM and XPS measurements were performed in cubane molecular complex compounds and enable to identify the oxidation state of the integrating cluster of Ru ions; also, XRD and EDS/SEM analysis of the acquired targets and substrates implied the devolution of some items not in conformity with the specifications. Direct cooperation with parallel research projects regarding multiferroic materials, enable the assess to supplementary samples, namely a preliminary series of nanopowder Y1-x-yCaxØyMn1O3 and of Eu0.8Y0.2MnO3, a series of micropowder composites of LuMnO3 with La0.625Sr0.375MnO3 and of BaTiO3 with hexagonal ferrites; mono and polycrystalline samples of Pr1-xCaxMnO3, La1-xSrxMnO3 and La1-xCaxMnO3.

Channel estimation and parameters acquisition systems employing cooperative diversity

This work investigates new channel estimation schemes for the forthcoming and future generation of cellular systems for which cooperative techniques are regarded. The studied cooperative systems are designed to re-transmit the received information to the user terminal via the relay nodes, in order to make use of benefits such as high throughput, fairness in access and extra coverage. The cooperative scenarios rely on OFDM-based systems employing classical and pilot-based channel estimators, which were originally designed to pointto-point links. The analytical studies consider two relaying protocols, namely, the Amplifyand-Forward and the Equalise-and-Forward, both for the downlink case. The relaying channels statistics show that such channels entail specific characteristics that comply to a proper filter and equalisation designs. Therefore, adjustments in the estimation process are needed in order to obtain the relay channel estimates, refine these initial estimates via iterative processing and obtain others system parameters that are required in the equalisation. The system performance is evaluated considering standardised specifications and the International Telecommunication Union multipath channel models.

Planificação de uma plataforma web de calendarização e divulgação da oferta cultural do município de Angra do Heroísmo

Com o intuito de melhorar a eficiência na gestão e execução de responsabilidades junto dos munícipes, a Câmara Municipal de Angra do Heroísmo (CMAH), localizada na ilha Terceira (Região Autónoma dos Açores), distribui as suas valências por vários departamentos e colaboradores especializados. Apesar desta segmentação existem circunstâncias em que os mesmos trabalham em conjunto e cruzam informações, por exemplo, nos processos de licenciamento. Contudo, esta necessária troca de dados é deficiente quando se calendarizam eventos organizados ou não pela instituição em causa. Consequentemente, esta falha resulta muitas vezes na sobreposição de eventos, algo considerado insustentável numa comunidade relativamente pequena, como é o caso de Angra do Heroísmo (em 2013, contava com 35.109 habitantes). A autarquia pretende solucionar o problema tendo em conta as capacidades proporcionadas pelas plataformas da Web 2.0 que, entre outras, permitem a participação dos utilizadores e a fácil inserção e gestão da informação por pessoas sem conhecimentos técnicos aprofundados. Esta dissertação determina as especificações que devem estar presentes numa plataforma Web de calendarização e divulgação da oferta cultural, ao serviço do Município de Angra do Heroísmo; conceptualiza um protótipo funcional que valida as especificações identificadas e serve de apoio à construção da plataforma final a desenvolver no futuro. Esta investigação tem como fim melhorar o processo de calendarização e divulgação de eventos da oferta cultural do concelho angrense. Esta finalidade implicou a necessidade de conhecer aprofundadamente o funcionamento da instituição, identificando e distinguindo o papel dos vários intervenientes e processos, pelo que parte da investigação decorreu na Câmara Municipal de Angra do Heroísmo. Entre os vários desafios desta pesquisa destacam-se a recolha e compreensão de informação sobre o processo em estudo e o planeamento de um sistema digital intuitivo, que respeite as estruturas de decisão e o sistema hierárquico da autarquia e que detenha o grau de rigor exigido nas organizações governativas.

Development of variable displacement oil pump for internal combustion engines

In the last years the need to develop more environmentally friendly and efficient cars as led to the development of several technologies to improve the performance of internal combustion engines, a large part of the innovations are focused in the auxiliary systems of the engine, including, the oil pump, this is an element of great importance in the dynamics of the engine as well a considerable energy consumer. Most solutions for oil pumps to this day are fixed displacement, for medium and high speeds, the pump flow rate is higher than the needs of the engine, this excess flow leads to the need for recirculation of the fluid which represents a waste of energy. Recently, technological advances in this area have led to the creation of variable displacement oil pumps, these have become a 'must have' due to the numerous advantages they bring, although the working principle of vane or piston pumps is relatively well known, the application of this technology for the automotive industry is new and brings new challenges. The focus of this dissertation is to develop a new concept of variable displacement system for automotive oil pumps. The main objective is to obtain a concept that is totally adaptable to existing solutions on the market (engines), both dimensionally as in performance specifications, having at the same time an innovative mechanical system for obtaining variable displacement. The developed design is a vane pump with variable displacement going in line with existing commercial solutions, however, the variation of the eccentricity commonly used to provide an variable displacement delivery is not used, the variable displacement is achieved without varying the eccentricity of the system but with a variation of the length of the pumping chamber. The principle of operation of the pump is different to existing solutions while maintaining the ability to integrate standard parts such as control valves and mechanical safety valves, the pump is compatible with commercial solutions in terms of interfaces for connection between engine systems and pump. A concept prototype of the product was obtained in order to better evaluate the validity of the concept. The developed concept represents an innovation in oil pumps design, being unique in its mechanical system for variable displacement delivery.

Melhoria do processo de lavação das rolhas de cortiça

O presente trabalho, realizado na empresa Amorim & Irmãos, S.A. teve como principal objetivo a avaliação e otimização da lavação de rolhas de cortiça técnicas, designadas por Twin Top®, em termos do perfil de consumo de reagentes químicos e do desenvolvimento da sua brancura. Para tal foi desenvolvida uma metodologia de análise de brancura de rolhas Twin Top® que serviu de base para a determinação de uma gama de brancuras aceitável. Para além disto, efetuou-se a avaliação do processo de lavação atualmente praticado e apartir do qual se realizaram os ensaios de otimização a nível laboratorial e piloto. Foram aplicados diferentes métodos de análise tais como, UV-Vis, FTIR-ATR, RMN e brancura ISO. Tendo como base de análise os espetros de refletância difusa de espetroscopia de UV-Vis foi proposta uma metodologia de determinação da brancura de rolhas Twin Top® a 457nm, adoptando as condições da Norma ISO 3688, aplicada na indústria da pasta e papel. De seguida, aplicando o método anteriormente definido, analisaram-se 1000 rolhas Twin Top® de lavação branca. Sendo que os resultados demonstraram que para rolhas dentro de especificação a brancura ISO deve estar entre os 30 e 35%. Foram ainda analisadas rolhas de diferentes classes visuais e provenientes de várias máquinas de lavação da fábrica para determinar possíveis diferenças. Para proceder à avaliação da lavação existente analisaram-se as colas usadas na produção das rolhas, um grânulo de cortiça e a matéria seca do efluente de lavação por FTIR-ATR e RMN. Desta avaliação resultou a presença de compostos de cortiça e cola degradada no efluente de lavação. Determinou-se a concentração dos reagentes intervenientes no processo que se mostraram de acordo com as especificações indicadas pelos fornecedores. Para a otimização da lavação combinou-se o peróxido de hidrogénio e hidróxido de sódio em diferentes quantidades, concentrações e diferentes tempos de reação o que permitiu identificar a melhor alternativa à lavação convencional. Assim existem duas propostas que devem ser tidas em consideração: uma em que a lavação mantém a mesma sequência da convencional e em que se altera o local de adição dos reagentes, que deve ser o mais próxima e direta possível das rolhas, e a outra em que se reduz o tempo do processo em 29,3 min, que compreende apenas uma oxidação e em que a quantidade de reagentes aplicada corresponde à soma dos volumes de reagentes das três oxidações do processo convencional.

Nonlinear distortion generation mechanisms in Doherty amplifiers

Nowadays, wireless communications systems demand for greater mobility and higher data rates. Moreover, the need for spectral efficiency requires the use of non-constant envelope modulation schemes. Hence, power amplifier designers have to build highly efficient, broadband and linear amplifiers. In order to fulfil these strict requirements, the practical Doherty amplifier seems to be the most promising technique. However, due to its complex operation, its nonlinear distortion generation mechanisms are not yet fully understood. Currently, only heuristic interpretations are being used to justify the observed phenomena. Therefore, the main objective of this work is to provide a model capable of describing the Doherty power amplifier nonlinear distortion generation mechanisms, allowing the optimization of its design according to linearity and efficiency criteria. Besides that, this approach will allow a bridge between two different worlds: power amplifier design and digital pre-distortion since the knowledge gathered from the Doherty operation will serve to select the most suitable pre-distortion models.