Fractional order electromagnetics

The Maxwell equations constitute a formalism for the development of models describing electromagnetic phenomena. The four Maxwell laws have been adopted successfully in many applications and involve only the integer order differential calculus. Recently, a closer look for the cases of transmission lines, electrical motors and transformers, that reveal the so-called skin effect, motivated a new perspective towards the replacement of classical models by fractional-order mathematical descriptions. Bearing these facts in mind this paper addresses the concept of static fractional electric potential. The fractional potential was suggested some years ago. However, the idea was not fully explored and practical methods of implementation were not proposed. In this line of thought, this paper develops a new approximation algorithm for establishing the fractional order electrical potential and analyzes its characteristics.

Time domain design of fractional differintegrators using least-squares

In this paper we propose the use of the least-squares based methods for obtaining digital rational approximations (IIR filters) to fractional-order integrators and differentiators of type sα, α∈R. Adoption of the Padé, Prony and Shanks techniques is suggested. These techniques are usually applied in the signal modeling of deterministic signals. These methods yield suboptimal solutions to the problem which only requires finding the solution of a set of linear equations. The results reveal that the least-squares approach gives similar or superior approximations in comparison with other widely used methods. Their effectiveness is illustrated, both in the time and frequency domains, as well in the fractional differintegration of some standard time domain functions.

Which differintegration?

Despite the great advances in the theory and applications of fractional calculus, some topics remain unclear, making a systematic use difficult. In this paper, the fractional differintegration definition problem is studied from a systems point of view. Both local (Grunwald-Letnikov) and global (convolutional) definitions are considered. It is shown that the Cauchy formulation should be adopted since it is coherent with usual practice in signal processing and control applications.

Projeto e implementação de um pré-regulador de fator de potência com controlo digital

Hoje em dia as fontes de alimentação possuem correção do fator de potência, devido às diversas normas regulamentares existentes, que introduziram grandes restrições no que respeita à distorção harmónica (THD) e fator de potência (FP). Este trabalho trata da análise, desenvolvimento e implementação de um Pré-Regulador de fator de potência com controlo digital. O controlo digital de conversores com recurso a processamento digital de sinal tem vindo a ser ao longo dos últimos anos, objeto de investigação e desenvolvimento, estando constantemente a surgirem modificações nas topologias existentes. Esta dissertação tem como objetivo estudar e implementar um Pré-Regulador Retificador Boost e o respetivo controlo digital. O controlo do conversor é feito através da técnica dos valores médios instantâneos da corrente de entrada, desenvolvido através da linguagem de descrição de hardware VHDL (VHSIC HDL – Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) e implementado num dispositivo FPGA (Field Programmable Gate Array) Spartan-3E. Neste trabalho são apresentadas análises matemáticas, para a obtenção das funções de transferência pertinentes ao projeto dos controladores. Para efetuar este controlo é necessário adquirir os sinais da corrente de entrada, tensão de entrada e tensão de saída. O sinal resultante do módulo de controlo é um sinal de PWM com valor de fator de ciclo variável ao longo do tempo. O projeto é simulado e validado através da plataforma MatLab/Simulink e PSIM, onde são apresentados resultados para o regime permanente e para transitórios da carga e da tensão de alimentação. Finalmente, o Pré-Regulador Retificador Boost controlado de forma digital é implementado em laboratório. Os resultados experimentais são apresentados para validar a metodologia e o projeto desenvolvidos.

Uso de Interfaces Cérebro-computador na comunicação de pessoas com Síndrome de Encarceramento

Os avanços nas Interfaces Cérebro-máquina, resultantes dos avanços no tratamento de sinal e da inteligência artificial, estão a permitir-nos aceder à atividade cerebral, descodificá-la, e usála para comandar dispositivos, sejam eles braços artificiais ou computadores. Isto é muito mais importante quando os utilizadores são pessoas que perderam a capacidade de comunicar, embora mantenham as suas capacidades cognitivas intactas. O caso mais extremo desta situação é o das pessoas afetadas pela Síndrome de Encarceramento. Este trabalho pretende contribuir para a melhoria da qualidade de vida das pessoas afetadas por esta síndrome, disponibilizando-lhes um meio de comunicação adaptado às suas limitações. É essencialmente um estudo de usabilidade aplicada a um tipo de utilizador extremamente diminuído na sua capacidade de interação. Nesta investigação começamos por compreender a Síndrome de Encarceramento e as limitações e capacidades das pessoas afetadas por ela. Abordamos a neuroplasticidade, o que é, e em que medida é importante para a utilização das Interfaces Cérebro-máquina. Analisamos o funcionamento destas interfaces, e os fundamentos científicos que o suportam. Finalmente, com todo este conhecimento em mãos, investigamos e desenvolvemos métodos que nos permitissem otimizar as limitadas capacidades do utilizador na sua interação com o sistema, minimizando o esforço e maximizando o desempenho. Foi para o efeito desenhado e implementado um protótipo que nos permitisse validar as soluções encontradas.

Imagiologia Espetral - Análise Forense de Notas e Escrita Manual

A análise forense de documentos é uma das áreas das Ciências Forenses, responsável pela verificação da autenticidade dos documentos. Os documentos podem ser de diferentes tipos, sendo a moeda ou escrita manual as evidências forenses que mais frequentemente motivam a análise. A associação de novas tecnologias a este processo de análise permite uma melhor avaliação dessas evidências, tornando o processo mais célere. Esta tese baseia-se na análise forense de dois tipos de documentos - notas de euro e formulários preenchidos por escrita manual. Neste trabalho pretendeu-se desenvolver técnicas de processamento e análise de imagens de evidências dos tipos referidos com vista a extração de medidas que permitam aferir da autenticidade dos mesmos. A aquisição das imagens das notas foi realizada por imagiologia espetral, tendo-se definidas quatro modalidades de aquisição: luz visível transmitida, luz visível refletida, ultravioleta A e ultravioleta C. Para cada uma destas modalidades de aquisição, foram também definidos 2 protocolos: frente e verso. A aquisição das imagens dos documentos escritos manualmente efetuou-se através da digitalização dos mesmos com recurso a um digitalizador automático de um aparelho multifunções. Para as imagens das notas desenvolveram-se vários algoritmos de processamento e análise de imagem, específicos para este tipo de evidências. Esses algoritmos permitem a segmentação da região de interesse da imagem, a segmentação das sub-regiões que contém as marcas de segurança a avaliar bem como da extração de algumas características. Relativamente as imagens dos documentos escritos manualmente, foram também desenvolvidos algoritmos de segmentação que permitem obter todas as sub-regiões de interesse dos formulários, de forma a serem analisados os vários elementos. Neste tipo de evidências, desenvolveu-se ainda um algoritmo de análise para os elementos correspondentes à escrita de uma sequência numérica o qual permite a obtenção das imagens correspondentes aos caracteres individuais. O trabalho desenvolvido e os resultados obtidos permitiram a definição de protocolos de aquisição de imagens destes tipos de evidências. Os algoritmos automáticos de segmentação e análise desenvolvidos ao longo deste trabalho podem ser auxiliares preciosos no processo de análise da autenticidade dos documentos, o qual, ate então, é feito manualmente. Apresentam-se ainda os resultados dos estudos feitos às diversas evidências, nomeadamente as performances dos diversos algoritmos analisados, bem como algumas das adversidades encontradas durante o processo. Apresenta-se também uma discussão da metodologia adotada e dos resultados, bem como de propostas de continuação deste trabalho, nomeadamente, a extração de características e a implementação de classificadores capazes aferir da autenticidade dos documentos.

Análise e implementação de filtros digitais fraccionários

O projeto realizado teve como tema a aplicação das derivadas e integrais fraccionários para a implementação de filtros digitais numa perspetiva de processamento digital de sinais. Numa primeira fase do trabalho, é efetuado uma abordagem teórica sobre os filtros digitais e o cálculo fraccionário. Estes conceitos teóricos são utilizados posteriormente para o desenvolvimento do presente projeto. Numa segunda fase, é desenvolvida uma interface gráfica em ambiente MatLab, utilizando a ferramenta GUIDE. Esta interface gráfica tem como objetivo a implementação de filtros digitais fraccionários. Na terceira fase deste projeto são implementados os filtros desenvolvidos experimentalmente através do ADSP-2181, onde será possível analisar e comparar os resultados experimentais com os resultados obtidos por simulação no MatLab. Como quarta e última fase deste projeto é efetuado uma reflexão sobre todo o desenvolvimento da Tese e o que esta me proporcionou. Com este relatório pretendo apresentar todo o esforço aplicado na realização deste trabalho, bem como alguns dos conhecimentos adquiridos ao longo do curso.

A Random Access Protocol incorporating Multi-Packet Reception, Retransmission Diversity and Successive Interference Cancellation

8th International Workshop on Multiple Access Communications (MACOM2015), Helsinki, Finland.

A Review on the Characterization of Signals and Systems by Power Law Distributions

Power laws, also known as Pareto-like laws or Zipf-like laws, are commonly used to explain a variety of real world distinct phenomena, often described merely by the produced signals. In this paper, we study twelve cases, namely worldwide technological accidents, the annual revenue of America׳s largest private companies, the number of inhabitants in America׳s largest cities, the magnitude of earthquakes with minimum moment magnitude equal to 4, the total burned area in forest fires occurred in Portugal, the net worth of the richer people in America, the frequency of occurrence of words in the novel Ulysses, by James Joyce, the total number of deaths in worldwide terrorist attacks, the number of linking root domains of the top internet domains, the number of linking root domains of the top internet pages, the total number of human victims of tornadoes occurred in the U.S., and the number of inhabitants in the 60 most populated countries. The results demonstrate the emergence of statistical characteristics, very close to a power law behavior. Furthermore, the parametric characterization reveals complex relationships present at higher level of description.

Fractional order describing functions

This paper addresses limit cycles and signal propagation in dynamical systems with backlash. The study follows the describing function (DF) method for approximate analysis of nonlinearities and generalizes it in the perspective of the fractional calculus. The concept of fractional order describing function (FDF) is illustrated and the results for several numerical experiments are analysed. FDF leads to a novel viewpoint for limit cycle signal propagation as time-space waves within system structure.

Integer/fractional decomposition of the impulse response of fractional linear systems

The decomposition of a fractional linear system is discussed in this paper. It is shown that it can be decomposed into an integer order part, corresponding to possible existing poles, and a fractional part. The first and second parts are responsible for the short and long memory behaviors of the system, respectively, known as characteristic of fractional systems.

Fractional Order Description of DNA

This study addresses the deoxyribonucleic acid (DNA) and proposes a procedure based on the association of statistics, information theory, signal processing, Fourier analysis and fractional calculus for describing fundamental characteristics of the DNA. In a first phase the 24 chromosomes of the Human are evaluated. In a second phase, 10 chromosomes for different species are also processed and the results compared. The results reveal invariance in the description and close resemblances with fractional Brownian motion.

Aquisição e Processamento de Imagens de Microscopia em Balística Forense

As novas tecnologias aplicadas ao processamento de imagem e reconhecimento de padrões têm sido alvo de um grande progresso nas últimas décadas. A sua aplicação é transversal a diversas áreas da ciência, nomeadamente a área da balística forense. O estudo de evidências (invólucros e projeteis) encontradas numa cena de crime, recorrendo a técnicas de processamento e análise de imagem, é pertinente pelo facto de, aquando do disparo, as armas de fogo imprimirem marcas únicas nos invólucros e projéteis deflagrados, permitindo relacionar evidências deflagradas pela mesma arma. A comparação manual de evidências encontradas numa cena de crime com evidências presentes numa base de dados, em termos de parâmetros visuais, constitui uma abordagem demorada. No âmbito deste trabalho pretendeu-se desenvolver técnicas automáticas de processamento e análise de imagens de evidências, obtidas através do microscópio ótico de comparação, tendo por base algoritmos computacionais. Estes foram desenvolvidos com recurso a pacotes de bibliotecas e a ferramentas open-source. Para a aquisição das imagens de evidências balísticas foram definidas quatro modalidades de aquisição: modalidade Planar, Multifocus, Microscan e Multiscan. As imagens obtidas foram aplicados algoritmos de processamento especialmente desenvolvidos para o efeito. A aplicação dos algoritmos de processamento permite a segmentação de imagem, a extração de características e o alinhamento de imagem. Este último tem como finalidade correlacionar as evidências e obter um valor quantitativo (métrica), indicando o quão similar essas evidências são. Com base no trabalho desenvolvido e nos resultados obtidos, foram definidos protocolos de aquisição de imagens de microscopia, que possibilitam a aquisição de imagens das regiões passiveis de serem estudadas, assim como algoritmos que permitem automatizar o posterior processo de alinhamento de imagens de evidências, constituindo uma vantagem em relação ao processo de comparação manual.

Generalized convolution

The paper revisits the convolution operator and addresses its generalization in the perspective of fractional calculus. Two examples demonstrate the feasibility of the concept using analytical expressions and the inverse Fourier transform, for real and complex orders. Two approximate calculation schemes in the time domain are also tested.

Kalman tracking linear predictor for vowel intelligibility enhancement on european portuguese HMM based speech synthesis

The recent developments on Hidden Markov Models (HMM) based speech synthesis showed that this is a promising technology fully capable of competing with other established techniques. However some issues still lack a solution. Several authors report an over-smoothing phenomenon on both time and frequencies which decreases naturalness and sometimes intelligibility. In this work we present a new vowel intelligibility enhancement algorithm that uses a discrete Kalman filter (DKF) for tracking frame based parameters. The inter-frame correlations are modelled by an autoregressive structure which provides an underlying time frame dependency and can improve time-frequency resolution. The system’s performance has been evaluated using objective and subjective tests and the proposed methodology has led to improved results.