Detection of FRET signals with a wavelength sensitive device based on a-SiC:H

Glucose sensing is an issue with great interest in medical and biological applications. One possible approach to glucose detection takes advantage of measuring changes in fluorescence resonance energy transfer (FRET) between a fluorescent donor and an acceptor within a protein which undergoes glucose-induced changes in conformation. This demands the detection of fluorescent signals in the visible spectrum. In this paper we analyzed the emission spectrum obtained from fluorescent labels attached to a protein which changes its conformation in the presence of glucose using a commercial spectrofluorometer. Different glucose nanosensors were used to measure the output spectra with fluorescent signals located at the cyan and yellow bands of the spectrum. A new device is presented based on multilayered a-SiC:H heterostructures to detect identical transient visible signals. The transducer consists of a p-i'(a-SiC:H)-n/p-i(a-Si:H)-n heterostructure optimized for the detection of the fluorescence resonance energy transfer between fluorophores with excitation in the violet (400 nm) and emissions in the cyan (470 nm) and yellow (588 nm) range of the spectrum. Results show that the device photocurrent signal measured under reverse bias and using appropriate steady state optical bias, allows the separate detection of the cyan and yellow fluorescence signals. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

A similarity measure for music signals

One of the goals in the field of Music Information Retrieval is to obtain a measure of similarity between two musical recordings. Such a measure is at the core of automatic classification, query, and retrieval systems, which have become a necessity due to the ever increasing availability and size of musical databases. This paper proposes a method for calculating a similarity distance between two music signals. The method extracts a set of features from the audio recordings, models the features, and determines the distance between models. While further work is needed, preliminary results show that the proposed method has the potential to be used as a similarity measure for musical signals.

Unveiling the Biometric Potential of Finger-Based ECG Signals

The ECG signal has been shown to contain relevant information for human identification. Even though results validate the potential of these signals, data acquisition methods and apparatus explored so far compromise user acceptability, requiring the acquisition of ECG at the chest. In this paper, we propose a finger-based ECG biometric system, that uses signals collected at the fingers, through a minimally intrusive 1-lead ECG setup recurring to Ag/AgCl electrodes without gel as interface with the skin. The collected signal is significantly more noisy than the ECG acquired at the chest, motivating the application of feature extraction and signal processing techniques to the problem. Time domain ECG signal processing is performed, which comprises the usual steps of filtering, peak detection, heartbeat waveform segmentation, and amplitude normalization, plus an additional step of time normalization. Through a simple minimum distance criterion between the test patterns and the enrollment database, results have revealed this to be a promising technique for biometric applications.

ECG signals for biometric applications: are we there yet?

The potential of the electrocardiographic (ECG) signal as a biometric trait has been ascertained in the literature over the past decade. The inherent characteristics of the ECG make it an interesting biometric modality, given its universality, intrinsic aliveness detection, continuous availability, and inbuilt hidden nature. These properties enable the development of novel applications, where non-intrusive and continuous authentication are critical factors. Examples include, among others, electronic trading platforms, the gaming industry, and the auto industry, in particular for car sharing programs and fleet management solutions. However, there are still some challenges to overcome in order to make the ECG a widely accepted biometric. In particular, the questions of uniqueness (inter-subject variability) and permanence over time (intra-subject variability) are still largely unanswered. In this paper we focus on the uniqueness question, presenting a preliminary study of our biometric recognition system, testing it on a database encompassing 618 subjects. We also performed tests with subsets of this population. The results reinforce that the ECG is a viable trait for biometrics, having obtained an Equal Error Rate of 9.01% and an Error of Identification of 15.64% for the entire test population.

Generation of Nakagami correlated fading in GNSS signals affected by ionospheric scintillation

We propose a low complexity technique to generate amplitude correlated time-series with Nakagami-m distribution and phase correlated Gaussian-distributed time-series, which is useful for the simulation of ionospheric scintillation effects in GNSS signals. To generate a complex scintillation process, the technique requires solely the knowledge of parameters Sa (scintillation index) and σφ (phase standard deviation) besides the definition of models for the amplitude and phase power spectra. The concatenation of two nonlinear memoryless transformations is used to produce a Nakagami-distributed amplitude signal from a Gaussian autoregressive process.

Interference detection in GNSS signals using Gaussianity criterion

We assess the performance of Gaussianity tests, namely the Anscombe-Glynn, Lilliefors, Cramér-von Mises, and Giannakis-Tsatsanis (G-T), with the purpose of detecting narrowband and wideband interference in GNSS signals. Simulations have shown that the G-T test outperforms the others being suitable as a benchmark for comparison with different types of interference detection algorithms. © 2014 EURASIP.

Practical simulation of GNSS signals in the presence of ionospheric scintillaton

We propose a low complexity technique to generate amplitude correlated time-series with Nakagami-m distribution and phase correlated Gaussian-distributed time-series, which is useful in the simulation of ionospheric scintillation effects during the transmission of GNSS signals. The method requires only the knowledge of parameters S4 (scintillation index) and σΦ (phase standard deviation) besides the definition of models for the amplitude and phase power spectra. The Zhang algorithm is used to produce Nakagami-distributed signals from a set of Gaussian autoregressive processes.

Jamming detection in GNSS signals using the sample covariance matrix.

We propose a blind method to detect interference in GNSS signals whereby the algorithms do not require knowledge of the interference or channel noise features. A sample covariance matrix is constructed from the received signal and its eigenvalues are computed. The generalized likelihood ratio test (GLRT) and the condition number test (CNT) are developed and compared in the detection of sinusoidal and chirp jamming signals. A computationally-efficient decision threshold was proposed for the CNT.

Biometric recognition system using low bandwidth ECG signals

Biometric recognition has recently emerged as part of applications where the privacy of the information is crucial, as in the health care field. This paper presents a biometric recognition system based on the Electrocardiographic signal (ECG). The proposed system is based on a state-of-the-art recognition method which extracts information from the frequency domain. In this paper we propose a new method to increase the spectral resolution of low bandwidth ECG signals due to the limited bandwidth of the acquisition sensor. Preliminary results show that the proposed scheme reveals a higher identification rate and lower equal error rate when compared to previous approaches.

Conversor estático de potência tolerante a falhas

O trabalho apresentado nesta dissertação refere-se à concepção, projecto e realização experimental de um conversor estático de potência tolerante a falhas. Foram analisados trabalhos de investigação sobre modos de falha de conversores electrónicos de potência, topologias de conversores tolerantes a falhas, métodos de detecção de falhas, entre outros. Com vista à concepção de uma solução, foram nomeados e analisados os principais modos de falhas para três soluções propostas de conversores com topologias tolerantes a falhas onde existem elementos redundantes em modo de espera. Foram analisados os vários aspectos de natureza técnica dos circuitos de potência e guiamento de sinais onde se salientam a necessidade de tempos mortos entre os sinais de disparo de IGBT do mesmo ramo, o isolamento galvânico entre os vários andares de disparo, a necessidade de minimizar as auto-induções entre o condensador DC e os braços do conversor de potência. Com vista a melhorar a fiabilidade e segurança de funcionamento do conversor estático de potência tolerante a falhas, foi concebido um circuito electrónico permitindo a aceleração da actuação normal de contactores e outro circuito responsável pelo encaminhamento e inibição dos sinais de disparo. Para a aplicação do conversor estático de potência tolerante a falhas desenvolvido num accionamento com um motor de corrente contínua, foi implementado um algoritmo de controlo numa placa de processamento digital de sinais (DSP), sendo a supervisão e actuação do sistema realizados em tempo-real, para a detecção de falhas e actuação de contactores e controlo de corrente e velocidade do motor utilizando uma estratégia de comando PWM. Foram realizados ensaios que, mediante uma detecção adequada de falhas, realiza a comutação entre blocos de conversores de potência. São apresentados e discutidos resultados experimentais, obtidos usando o protótipo laboratorial.

Controlo tolerante a falhas de um canal de rega

A presente dissertação pretende conceber e implementar um sistema de controlo tolerante a falhas, no canal experimental de rega da Universidade de Évora, utilizando um modelo implementado em MATLAB/SIMULINK®. Como forma de responder a este desafio, analisaram-se várias técnicas de diagnóstico de falhas, tendo-se optado por técnicas baseadas em redes neuronais para o desenvolvimento de um sistema de detecção e isolamento de falhas no canal de rega, sem ter em conta o tipo de sistema de controlo utilizado. As redes neuronais foram, assim, os processadores não lineares utilizados e mais aconselhados em situações onde exista uma abundância de dados do processo, porque aprendem por exemplos e são suportadas por teorias estatísticas e de optimização, focando não somente o processamento de sinais, como também expandindo os horizontes desse processamento. A ênfase dos modelos das redes neuronais está na sua dinâmica, na sua estabilidade e no seu comportamento. Portanto, o trabalho de investigação do qual resultou esta Dissertação teve como principais objectivos o desenvolvimento de modelos de redes neuronais que representassem da melhor forma a dinâmica do canal de rega, de modo a obter um sistema de detecção de falhas que faça uma comparação entre os valores obtidos nos modelos e no processo. Com esta diferença de valores, da qual resultará um resíduo, é possível desenvolver tanto o sistema de detecção como de isolamento de falhas baseados nas redes neuronais, possibilitando assim o desenvolvimento dum sistema de controlo tolerante a falhas, que engloba os módulos de detecção, de isolamento/diagnóstico e de reconfiguração do canal de rega. Em síntese, na Dissertação realizada desenvolveu-se um sistema que permite reconfigurar o processo em caso de ocorrência de falhas, melhorando significativamente o desempenho do canal de rega.

Análise dos métodos de medição dos parâmetros geométricos de via e correlação entre os dados obtidos

A razão atribuída à escolha do tema do T.F.M. em Caminhos-de-ferro, tem a ver com o facto de ser uma via de comunicação específica. Contrariamente ao que acontece na execução de auto-estradas, no caminho-de-ferro, a gestora da infra-estrutura responsabiliza-se pela execução, exploração (sinalização e controlo de circulação), abastecimento de energia fornecida às vias que dispõem de catenária (tracção eléctrica), manutenção e conservação da via. O processo de análise e inspecção de geometria de via, é usado quando e necessário preservar a infra-estrutura. Este processo iniciou-se nos caminhos-de-ferro portugueses, há muitos anos, depois da inauguração do primeiro troco de linha férrea. A primeira viagem ocorre em Outubro de 1856, sendo o início do processo em 1968, com a dresina “Matisa PV-6”. Em 1991 a C.P. adquiriu outro veículo de inspecção de via, tendo sido escolhido o VIV02 EM 120 da marca Plasser & Theurer, para substituir “Matisa PV-6”. O tema Análise dos Métodos de Medição dos Parâmetros Geométricos de Via e Correlação entre os Dados Obtidos está directamente relacionado com a manutenção e conservação de via. Na Unidade Operacional Sul (hoje ROS – Região Operacional Sul), local onde desenvolvi o T.F.M., não existem obras de construção de caminhos-de-ferro que pudesse acompanhar e constituir tema para o meu trabalho. Na realidade, com a falta de investimento que se perspectiva no futuro próximo, a manutenção da infra-estrutura passa a ser a actividade principal desenvolvida pela REFER, de modo a assegurar a comodidade, segurança e rapidez na deslocação de cargas e pessoas. A Analise Geométrica de Via e actualmente uma das principais actividades no âmbito da manutenção, que é feita por diagnóstico, contrariamente ao que acontecia no passado em que a conservação metódica era realizada num determinado ano num troço seleccionado independentemente da necessidade ou não da mesma. Uma ajuda preciosa, no que se refere à decisão de se realizar um determinado trabalho de conservação, e a do veículo VIV02 EM 120 que faz inspeções ao longo de toda a rede ferroviária e permite recolher dados e classificar através do desvio padrão, troços com extensão de 200 metros, obtendo os dados relevantes sobre a necessidade de intervenção. Para além do referido veículo existem também equipamentos ligeiros de inspecção dos parâmetros geométricos de via. Um desses equipamentos designa-se por Trólei, não sendo motorizado, pois o mesmo é movido manualmente por um operador. Obviamente que este equipamento não faz a inspecção a toda a rede pois a operação de medição é morosa, sendo contudo utilizado para análise de defeitos geométricos em pequenos trocos, tornando-se assim uma mais-valia, evitando o deslocar de um equipamento “pesado” como o VIV 02 EM 120. Para atingir os objectivos deste trabalho realizaram-se testes de medição com ambos (veiculo e equipamento ligeiro), no mesmo espaço temporal e com as mesmas características físicas, como a temperatura, humidade etc. Os resultados, de acordo com os objectivos, são a comparação entre as medições de ambos, com vista a comprovar a sua utilidade e necessidade, de acordo com os vários tipos de superstruturas constituintes da rede ferroviária nacional.

Implementação de WDM com dispositivos semicondutores

Este trabalho utiliza uma estrutura pin empilhada, baseada numa liga de siliceto de carbono amorfo hidrogenado (a-Si:H e/ou a-SiC:H), que funciona como filtro óptico na zona visível do espectro electromagnético. Pretende-se utilizar este dispositivo para realizar a demultiplexagem de sinais ópticos e desenvolver um algoritmo que permita fazer o reconhecimento autónomo do sinal transmitido em cada canal. O objectivo desta tese visa implementar um algoritmo que permita o reconhecimento autónomo da informação transmitida por cada canal através da leitura da fotocorrente fornecida pelo dispositivo. O tema deste trabalho resulta das conclusões de trabalhos anteriores, em que este dispositivo e outros de configuração idêntica foram analisados, de forma a explorar a sua utilização na implementação da tecnologia WDM. Neste trabalho foram utilizados três canais de transmissão (Azul – 470 nm, Verde – 525 nm e Vermelho – 626 nm) e vários tipos de radiação de fundo. Foram realizadas medidas da resposta espectral e da resposta temporal da fotocorrente do dispositivo, em diferentes condições experimentais. Variou-se o comprimento de onda do canal e o comprimento de onda do fundo aplicado, mantendo-se constante a intensidade do canal e a frequência de transmissão. Os resultados obtidos permitiram aferir sobre a influência da presença da radiação de fundo e da tensão aplicada ao dispositivo, usando diferentes sequências de dados transmitidos nos vários canais. Verificou-se, que sob polarização inversa, a radiação de fundo vermelho amplifica os valores de fotocorrente do canal azul e a radiação de fundo azul amplifica o canal vermelho e verde. Para polarização directa, apenas a radiação de fundo azul amplifica os valores de fotocorrente do canal vermelho. Enquanto para ambas as polarizações, a radiação de fundo verde, não tem uma grande influência nos restantes canais. Foram implementados dois algoritmos para proceder ao reconhecimento da informação de cada canal. Na primeira abordagem usou-se a informação contida nas medidas de fotocorrente geradas pelo dispositivo sob polarização inversa e directa. Pela comparação das duas medidas desenvolveu-se e testou-se um algoritmo que permite o reconhecimento dos canais individuais. Numa segunda abordagem procedeu-se ao reconhecimento da informação de cada canal mas com aplicação de radiação de fundo, tendo-se usado a informação contida nas medidas de fotocorrente geradas pelo dispositivo sob polarização inversa sem aplicação de radiação de fundo com a informação contida nas medidas de fotocorrente geradas pelo dispositivo sob polarização inversa com aplicação de radiação de fundo. Pela comparação destas duas medidas desenvolveu-se e testou-se o segundo algoritmo que permite o reconhecimento dos canais individuais com base na aplicação de radiação de fundo.

Estudo comparativo entre sistemas RoF com modulação directa e com modulação externa

O RoF (Radio over Fiber) é uma tecnologia que permite a transmissão de sinais rádio de elevada largura de banda, fornecida pela fibra óptica, e simultaneamente mantêm a característica de mobilidade das redes de comunicação móvel. Esta dissertação de mestrado tem como objectivo estudar, simular e comparar sistemas RoF com modulação directa e com modulação externa, utilizando um sinal WiMAX, por ser uma tecnologia recente e com potencial de utilização futura. Desta forma foram avaliados três tipos de moduladores externos, sendo que o modulador EA (Electro-Absorption) é o que permite obter melhores valores de EVM e de SNR devido ao facto deste ter menores perdas de inserção na fibra. Da comparação entre o esquema com modulação directa e o esquema com modulação externa, é possível concluir que para larguras de banda mais baixas a utilização de modulação directa é mais eficiente que a modulação externa, mas à medida que a largura de banda aumenta a modulação externa apresenta claramente melhor desempenho. Isto deve-se ao facto de a modulação directa produzir mais chirp que a modulação externa, sendo que o chirp limita a largura de banda e o comprimento da fibra. De forma a melhorar o desempenho do sistema com modulação directa foi introduzido uma fibra com compensação de dispersão. Foi possível concluir que a utilização de fibra com compensação de dispersão é uma boa solução quando se pretende transmitir sinais de elevada largura de banda em esquemas com modulação directa.

Non-selective optical wavelength-division multiplexing devices based on a-SiC:H multilayer heterostuctures

In this paper we present results on the optimization of multilayered a-SiC:H heterostructures for wavelength-division (de) multiplexing applications. The non selective WDM device is a double heterostructure in a glass/ITO/a-SiC:H (p-i-n) /a-SiC:H(-p) /a-Si:H(-i')/a-SiC:H (-n')/ITO configuration. The single or the multiple modulated wavelength channels are passed through the device, and absorbed accordingly to its wavelength, giving rise to a time dependent wavelength electrical field modulation across it. The effect of single or multiple input signals is converted to an electrical signal to regain the information (wavelength, intensity and frequency) of the incoming photogenerated carriers. Here, the (de) multiplexing of the channels is accomplished electronically, not optically. This approach offers advantages in terms of cost since several channels share the same optical components; and the electrical components are typically less expensive than the optical ones. An electrical model gives insight into the device operation.