Analysis of multirate behavior in electronic systems

Esta tese insere-se na área da simulação de circuitos de RF e microondas, e visa o estudo de ferramentas computacionais inovadoras que consigam simular, de forma eficiente, circuitos não lineares e muito heterogéneos, contendo uma estrutura combinada de blocos analógicos de RF e de banda base e blocos digitais, a operar em múltiplas escalas de tempo. Os métodos numéricos propostos nesta tese baseiam-se em estratégias multi-dimensionais, as quais usam múltiplas variáveis temporais definidas em domínios de tempo deformados e não deformados, para lidar, de forma eficaz, com as disparidades existentes entre as diversas escalas de tempo. De modo a poder tirar proveito dos diferentes ritmos de evolução temporal existentes entre correntes e tensões com variação muito rápida (variáveis de estado activas) e correntes e tensões com variação lenta (variáveis de estado latentes), são utilizadas algumas técnicas numéricas avançadas para operar dentro dos espaços multi-dimensionais, como, por exemplo, os algoritmos multi-ritmo de Runge-Kutta, ou o método das linhas. São também apresentadas algumas estratégias de partição dos circuitos, as quais permitem dividir um circuito em sub-circuitos de uma forma completamente automática, em função dos ritmos de evolução das suas variáveis de estado. Para problemas acentuadamente não lineares, são propostos vários métodos inovadores de simulação a operar estritamente no domínio do tempo. Para problemas com não linearidades moderadas é proposto um novo método híbrido frequência-tempo, baseado numa combinação entre a integração passo a passo unidimensional e o método seguidor de envolvente com balanço harmónico. O desempenho dos métodos é testado na simulação de alguns exemplos ilustrativos, com resultados bastante promissores. Uma análise comparativa entre os métodos agora propostos e os métodos actualmente existentes para simulação RF, revela ganhos consideráveis em termos de rapidez de computação.

Nonlinear behavioral modeling of mixed signal RF-digital I/O devices

Esta tese investiga a caracterização (e modelação) de dispositivos que realizam o interface entre os domínios digital e analógico, tal como os buffers de saída dos circuitos integrados (CI). Os terminais sem fios da atualidade estão a ser desenvolvidos tendo em vista o conceito de rádio-definido-por-software introduzido por Mitola. Idealmente esta arquitetura tira partido de poderosos processadores e estende a operação dos blocos digitais o mais próximo possível da antena. Neste sentido, não é de estranhar que haja uma crescente preocupação, no seio da comunidade científica, relativamente à caracterização dos blocos que fazem o interface entre os domínios analógico e digital, sendo os conversores digital-analógico e analógico-digital dois bons exemplos destes circuitos. Dentro dos circuitos digitais de alta velocidade, tais como as memórias Flash, um papel semelhante é desempenhado pelos buffers de saída. Estes realizam o interface entre o domínio digital (núcleo lógico) e o domínio analógico (encapsulamento dos CI e parasitas associados às linhas de transmissão), determinando a integridade do sinal transmitido. Por forma a acelerar a análise de integridade do sinal, aquando do projeto de um CI, é fundamental ter modelos que são simultaneamente eficientes (em termos computacionais) e precisos. Tipicamente a extração/validação dos modelos para buffers de saída é feita usando dados obtidos da simulação de um modelo detalhado (ao nível do transístor) ou a partir de resultados experimentais. A última abordagem não envolve problemas de propriedade intelectual; contudo é raramente mencionada na literatura referente à caracterização de buffers de saída. Neste sentido, esta tese de Doutoramento foca-se no desenvolvimento de uma nova configuração de medição para a caracterização e modelação de buffers de saída de alta velocidade, com a natural extensão aos dispositivos amplificadores comutados RF-CMOS. Tendo por base um procedimento experimental bem definido, um modelo estado-da-arte é extraído e validado. A configuração de medição desenvolvida aborda não apenas a integridade dos sinais de saída mas também do barramento de alimentação. Por forma a determinar a sensibilidade das quantias estimadas (tensão e corrente) aos erros presentes nas diversas variáveis associadas ao procedimento experimental, uma análise de incerteza é também apresentada.

Behavioral modeling optimization and enhancement for high-speed analog mixed-signal I/O interfaces

A integridade do sinal em sistemas digitais interligados de alta velocidade, e avaliada através da simulação de modelos físicos (de nível de transístor) é custosa de ponto vista computacional (por exemplo, em tempo de execução de CPU e armazenamento de memória), e exige a disponibilização de detalhes físicos da estrutura interna do dispositivo. Esse cenário aumenta o interesse pela alternativa de modelação comportamental que descreve as características de operação do equipamento a partir da observação dos sinais eléctrico de entrada/saída (E/S). Os interfaces de E/S em chips de memória, que mais contribuem em carga computacional, desempenham funções complexas e incluem, por isso, um elevado número de pinos. Particularmente, os buffers de saída são obrigados a distorcer os sinais devido à sua dinâmica e não linearidade. Portanto, constituem o ponto crítico nos de circuitos integrados (CI) para a garantia da transmissão confiável em comunicações digitais de alta velocidade. Neste trabalho de doutoramento, os efeitos dinâmicos não-lineares anteriormente negligenciados do buffer de saída são estudados e modulados de forma eficiente para reduzir a complexidade da modelação do tipo caixa-negra paramétrica, melhorando assim o modelo standard IBIS. Isto é conseguido seguindo a abordagem semi-física que combina as características de formulação do modelo caixa-negra, a análise dos sinais eléctricos observados na E/S e propriedades na estrutura física do buffer em condições de operação práticas. Esta abordagem leva a um processo de construção do modelo comportamental fisicamente inspirado que supera os problemas das abordagens anteriores, optimizando os recursos utilizados em diferentes etapas de geração do modelo (ou seja, caracterização, formulação, extracção e implementação) para simular o comportamento dinâmico não-linear do buffer. Em consequência, contributo mais significativo desta tese é o desenvolvimento de um novo modelo comportamental analógico de duas portas adequado à simulação em overclocking que reveste de um particular interesse nas mais recentes usos de interfaces de E/S para memória de elevadas taxas de transmissão. A eficácia e a precisão dos modelos comportamentais desenvolvidos e implementados são qualitativa e quantitativamente avaliados comparando os resultados numéricos de extracção das suas funções e de simulação transitória com o correspondente modelo de referência do estado-da-arte, IBIS.

Multi-standard reconfigurable wireless transmitter architectures

The continuous demand for highly efficient wireless transmitter systems has triggered an increased interest in switching mode techniques to handle the required power amplification. The RF carrier amplitude-burst transmitter, i.e. a wireless transmitter chain where a phase-modulated carrier is modulated in amplitude in an on-off mode, according to some prescribed envelope-to-time conversion, such as pulse-width or sigma-delta modulation, constitutes a promising architecture capable of efficiently transmitting signals of highly demanding complex modulation schemes. However, the tested practical implementations present results that are way behind the theoretically advanced promises (perfect linearity and efficiency). My original contribution to knowledge presented in this thesis is the first thorough study and model of the power efficiency and linearity characteristics that can be actually achieved with this architecture. The analysis starts with a brief revision of the theoretical idealized behavior of these switched-mode amplifier systems, followed by the study of the many sources of impairments that appear when the real system is implemented. In particular, a special attention is paid to the dynamic load modulation caused by the often ignored interaction between the narrowband signal reconstruction filter and the usual single-ended switched-mode power amplifier, which, among many other performance impairments, forces a two transistor implementation. The performance of this architecture is clearly explained based on the presented theory, which is supported by simulations and corresponding measured results of a fully working implementation. The drawn conclusions allow the development of a set of design rules for future improvements, one of which is proposed and verified in this thesis. It suggests a significant modification to this traditional architecture, where now the phase modulated carrier is always on – and thus allowing a single transistor implementation – and the amplitude is impressed into the carrier phase according to a bi-phase code.

Planeamento do território: metodologias, actores e participação

O argumento que compagina esta investigação sustenta que, no contexto actual de crescente complexidade dos problemas territoriais e de densidade de actores com interesses contraditórios e conflituantes, o desenvolvimento de metodologias de planeamento territorial promotoras da participação dos actores pode ser particularmente útil, possibilitando a construção de compromissos entre actores, alinhando as suas motivações e mobilizando os seus meios, gerando novas formas de “acção colectiva” em torno dos objectivos de planeamento. Procurou-se, assim: i) perceber o que é território, objecto da actividade do planeamento; ii) estabelecer um conceito de planeamento do território; iii) produzir um quadro de referência sobre planeamento territorial, com particular enfoque para o papel dos actores e participação e iv) desenvolver uma análise crítica de um conjunto de experiências de planeamento territorial, à luz do anterior quadro de referência. Do ponto de vista empírico, ambicionava-se examinar um conjunto de experiências de planeamento territorial onde a participação dos actores tivesse sido particularmente relevante, em diferentes contextos quanto ao entendimento dos objectivos de planeamento e sua concretização, com a particularidade de em ambas ter havido um forte envolvimento do investigador num duplo papel: investigador/cidadão e investigador/promotor do planeamento do território. Durante o trajecto de investigação percorrido, revisitaram-se as principais referências sobre a problemática do planeamento do território e suas metodologias, com enfoque particular nos actores e formas de participação. Assume-se a conceptualização do planeamento do território como uma actividade desenvolvida por um promotor público de planeamento (Estado), o qual, num determinado contexto e em defesa do interesse colectivo, define objectivos para um determinado objecto de planeamento (território, temática e escala). Para os cumprir, mobiliza os meios e actores necessários, produzindo um quadro de referência e identificando as acções, os palcos e os métodos para os alcançar. Identificaram-se seis famílias de metodologias de planeamento do território. Discutiu-se o conceito de actor em planeamento e propôs-se uma tipologia de actores, consoante meios, motivações e palcos. Em seguida, produziu-se uma conceptualização e tipologia de formas de participação dos actores, que vai para além da tradicional participação dos cidadãos. Concluiu-se com a sugestão de princípios de orientação metodológica para o planeamento territorial e participação dos actores. Os dados da análise empírica efectuada permitiram concluir que o papel dos diferentes actores e a forma como foram tidos em conta os seus meios disponíveis e as suas motivações foram determinantes nos resultados alcançados nos dois contextos analisados. Num conjunto de experiências, o envolvimento dos actores visou fortalecer o quadro social e institucional de apoio, o fomento à criação de plataformas de diálogo e colaboração, de valorização de diferentes formas de conhecimento (técnico-científico e “local”) e a mobilização para a construção de políticas ou para a validação do processo de decisão. Noutro conjunto de experiências, o entendimento da participação dos actores foi desvalorizado, produzido de forma burocrática, sem o devido reconhecimento das suas motivações e valorização dos meios disponíveis, sem um adequado envolvimento, o que conduziu a situações de elevada conflitualidade, fragilização e descredibilização do exercício de planeamento e a resultados que contrariam os objectivos inicialmente definidos. Neste contexto, parece pois confirmar-se a hipótese de que as metodologias de planeamento onde a participação dos actores é considerada de forma explícita, coerente e consequente, condicionam de forma clara o envolvimento e alinhamento dos actores e determinam os resultados do planeamento do território.