ML approaches to channel estimation for pilot-aided multi-rate DS/CDMA systems

This paper analyzes the asymptotic performance of maximum likelihood (ML) channel estimation algorithms in wideband code division multiple access (WCDMA) scenarios. We concentrate on systems with periodic spreading sequences (period larger than or equal to the symbol span) where the transmitted signal contains a code division multiplexed pilot for channel estimation purposes. First, the asymptotic covariances of the training-only, semi-blind conditional maximum likelihood (CML) and semi-blind Gaussian maximum likelihood (GML) channelestimators are derived. Then, these formulas are further simplified assuming randomized spreading and training sequences under the approximation of high spreading factors and high number of codes. The results provide a useful tool to describe the performance of the channel estimators as a function of basicsystem parameters such as number of codes, spreading factors, or traffic to training power ratio.

Waveform-independent frame-timing acquisition for UWB signals

In this paper, the problem of frame-level symboltiming acquisition for UWB signals is addressed. The main goalis the derivation of a frame-level timing estimator which does notrequire any prior knowledge of neither the transmitted symbolsnor the received template waveform. The independence withrespect to the received waveform is of special interest in UWBcommunication systems, where a fast and accurate estimation ofthe end-to-end channel response is a challenging and computationallydemanding task. The proposed estimator is derived under theunconditional maximum likelihood criterion, and because of thelow power of UWB signals, the low-SNR assumption is adopted. Asa result, an optimal frame-level timing estimator is derived whichoutperforms existing acquisition methods in low-SNR scenarios.

Linear transceiver design in nonregenerative relays with channel state information

This paper deals with the design of nonregenerativerelaying transceivers in cooperative systems where channel stateinformation (CSI) is available at the relay station. The conventionalnonregenerative approach is the amplify and forward(A&F) approach, where the signal received at the relay is simplyamplified and retransmitted. In this paper, we propose an alternativelinear transceiver design for nonregenerative relaying(including pure relaying and the cooperative transmission cases),making proper use of CSI at the relay station. Specifically, wedesign the optimum linear filtering performed on the data to beforwarded at the relay. As optimization criteria, we have consideredthe maximization of mutual information (that provides aninformation rate for which reliable communication is possible) fora given available transmission power at the relay station. Threedifferent levels of CSI can be considered at the relay station: onlyfirst hop channel information (between the source and relay);first hop channel and second hop channel (between relay anddestination) information, or a third situation where the relaymay have complete cooperative channel information includingall the links: first and second hop channels and also the directchannel between source and destination. Despite the latter beinga more unrealistic situation, since it requires the destination toinform the relay station about the direct channel, it is useful as anupper benchmark. In this paper, we consider the last two casesrelating to CSI.We compare the performance so obtained with theperformance for the conventional A&F approach, and also withthe performance of regenerative relays and direct noncooperativetransmission for two particular cases: narrowband multiple-inputmultiple-output transceivers and wideband single input singleoutput orthogonal frequency division multiplex transmissions.

Linjasekoittimensekoituskyvyn määrittäminen

Työn tavoitteena oli kehittää sekoituskyvyn empiirinen monimuuttujafunktio eräälle dynaamiselle linjasekoittimelle. Monimuuttujafunktio oli tarkoitus kehittää sekoittimen kierrosnopeuden, virtaavien materiaalien ja tilavuusvirtausten perus-teella. Työn kirjallisuusosassa tarkasteltiin pääosin dynaamisia linjasekoittimia ja niiden toimintaperiaatteita sekä sekoituskyvyn määrittämiseen soveltuvia mittausmene-telmiä. Sekoitettavien aineiden epähomogeenisuus määritettiin mittaamalla termoelemen-teillä sekoittimen jälkeisen virran lämpötilavaihtelut. Sekoitettavina aineina käy-tettiin kolmea erilaista seosta: vesi-vesi-, kuitususpensio-vesi- ja karboksyylime-tyyliselluloosa-vesiseoksia. Muita muuttujia kokeissa olivat neljä eri sekoittimen kierrosnopeutta, neljä eri päävirran tilavuusvirtausta ja kolme päävirran sekäsii-hen lisättävän sivuvirran suhdetta. Monimuuttujafunktiokehitettiin vain kuitususpensio-vesiajojen pohjalta muilla seoksilla tehtyjen koeajojen osittaisen epäonnistumisen vuoksi. Hallitsevaksi pa-rametriksi monimuuttujafunktiossa osoittautui sekoittimen kierrosnopeus. Osittai-nen epäonnistuminen kokeissa johtui osaksi termoelementtien käytön sopimatto-muudesta sekoituskyvyn määrittämiseen ja osaksi sekoitettavien aineiden valin-nasta. Jatkotutkimuksiaajatellen muista sekoituskyvyn mittaamiseen käytettävissä olevista menetelmistäkäyttökelpoisimmaksi arvioitiin sähkötomografia.

ADVANCED NUMERICAL METHODS FOR SIMULATING MICROBUBBLE IN AN AERATED MIXING TANK

Fluid mixing in mechanically agitated tanks is one of the major unit operations in many industries. Bubbly flows have been of interest among researchers in physics, medicine, chemistry and technology over the centuries. The aim of this thesis is to use advanced numerical methods for simulating microbubble in an aerated mixing tank. Main components of the mixing tank are a cylindrical vessel, a rotating Rushton turbine and the air nozzle. The objective of Computational Fluid Dynamics (CFD) is to predict fluid flow, heat transfer, mass transfer and chemical reactions. The CFD simulations of a turbulent bubbly flow are carried out in a cylindrical mixing tank using large eddy simulation (LES) and volume of fluid (VOF) method. The Rushton turbine induced flow is modeled by using a sliding mesh method. Numerical results are used to describe the bubbly flows in highly complex liquid flow. Some of the experimental works related to turbulent bubbly flow in a mixing tank are briefly reported. Numerical simulations are needed to complete and interpret the results of the experimental work. Information given by numerical simulations has a major role in designing and scaling-up mixing tanks. The results of this work have been reported in the following scientific articles: ·Honkanen M., Koohestany A., Hatunen T., Saarenrinne P., Zamankhan P., Large eddy simulations and PIV experiments of a two-phase air-water mixer, in Proceedings of ASME Fluids Engineering Summer Conference (2005). ·Honkanen M., Koohestany A., Hatunen T., Saarenrinne P., Zamankhan P., Dynamical States of Bubbling in an Aerated Stirring Tank, submitted to J. Computational Physics.

Laajakaistainen Vivaldi-antennielementti

Diplomityössä suunniteltiin, rakennettiin ja mitattiin laajakaistainen antennielementti lineaariseen antenniryhmään. Elementti toimii mikroaaltoalueella, ja sen kaistanleveys on noin 4,8:1. Elementti koostuu kaksipuolisesta eksponentiaalisesti taperoidusta rakoantennista eli Vivaldi-antennista ja laajakaistaisesta siirtymästä liuskajohdosta kaksipuoliseen rakojohtoon. Elementin koko pienimmällä käyttötaajuudella on noin 0,31 lambda kertaa 0,34 lambda, josta antennitorven koko on vain noin 0,21 lambda kertaa 0,21 lambda. Elementti suunniteltiin HFSS-simulointiohjelman avulla ja rakennettiin kahdesta erillisestä piirilevystä puristamalla nämä yhteen alumiinisella kehyksellä. Mittauksilla varmistettiin elementin toiminta ja simulointien luotettavuus. Osoitettiin, että elementti voidaan suunnitella simulointiohjelman avulla ja rakentaa työssä käytetyllä tavalla. Osoitettiin myös, että tarvittavaa mitoitussimulointien määrää voidaan vähentää yhdistämällä erikseen mitoitetut rakoantenni ja siirtymä. Lisäksi simuloinnein osoitettiin, että elementti toimii myös ryhmässä ja että sen toimintaa voidaan parantaa kehyksen avulla.

Process intensification: From optimised flow patterns to microprocess technology

This thesis is focused on process intensification. Several significant problems and applications of this theme are covered. Process intensification is nowadays one of the most popular trends in chemical engineering and attempts have been made to develop a general, systematic methodology for intensification. This seems, however, to be very difficult, because intensified processes are often based on creativity and novel ideas. Monolith reactors and microreactors are successful examples of process intensification. They are usually multichannel devices in which a proper feed technique is important for creating even fluid distribution into the channels. Two different feed techniques were tested for monoliths. In the first technique a shower method was implemented by means of perforated plates. The second technique was a dispersion method using static mixers. Both techniques offered stable operation and uniform fluid distribution. The dispersion method enabled a wider operational range in terms of liquid superficial velocity. Using dispersion method, a volumetric gas-liquid mass transfer coefficient of 2 s-1 was reached. Flow patterns play a significant role in terms of the mixing performance of micromixers. Although the geometry of a T-mixer is simple, channel configurations and dimensions had a clear effect on mixing efficiency. The flow in the microchannel was laminar, but the formation of vortices promoted mixing in micro T-mixers. The generation of vortices was dependent on the channel dimensions, configurations and flow rate. Microreactors offer a high ratio of surface area to volume. Surface forces and interactions between fluids and surfaces are, therefore, often dominant factors. In certain cases, the interactions can be effectively utilised. Different wetting properties of solid materials (PTFE and stainless steel) were applied in the separation of immiscible liquid phases. A micro-scale plate coalescer with hydrophilic and hydrophobic surfaces was used for the continuous separation of organic and aqueous phases. Complete phase separation occurred in less than 20 seconds, whereas the separation time by settling exceeded 30 min. Fluid flows can be also intensified in suitable conditions. By adding certain additives into turbulent fluid flow, it was possible to reduce friction (drag) by 40 %. Drag reduction decreases frictional pressure drop in pipelines which leads to remarkable energy savings and decreases the size or number of pumping facilities required, e.g., in oil transport pipes. Process intensification enables operation often under more optimal conditions. The consequent cost savings from reduced use of raw materials and reduced waste lead to greater economic benefits in processing.

Vaahdonestokemikaalin syöttötapahtuman tehostamisen vaikutus märkäosan toimintaan

An improved defoamer dosage procedure and a more efficient dosing point to the approach system were studied in this thesis. Their influence on paper machine wet end operations was investigated. The improved defoamer dosing procedure was examined at UMP-Kymmene Tervasaari PM8. Air content and its controlling methods at the paper machine were studied in the literature survey. Also the influence of dissolved gases and entrained air in the papermaking furnish were introduced. Feeding methods – a TrumpJet chemical mixer and traditional feeding devices – were reviewed. The defoamer’s functioning methods were studied. The influence of the use of defoamers was estimated based on the main selected wet end operations. In the experimental part, defoamer mixing with a traditional feeding method and two improved mixing stages were compared based on the air content profiles in PM8’s approach system. The reference dosage procedure was PM8’s old dosing system. The first dosage procedure in the comparison involved two TrumpJet chemical mixers installed on the bottom wire trays. The second element of comparison involved the improvement brought by a third TrumpJet chemical mixer installed on the top wire tray. This second comparison of the efficient defoamer feeding concept was made at a higher production speed of PM8. The air content control situation was also studied at the higher production speed. In addition the connection between the defoamer and air content was observed and a mill-scale system was studied. The economical benefits of the new dosing procedure were also reviewed. Air content profiles of short circulation were measured in the reference situation and the two comparison points of the study. These air content measurements proved the main gas load is introduced to PM8's paper furnish from the white water tray. Thick stock air content was not essential when the air volume flow was considered. The improved defoamer dosing procedure made lower dosage amounts possible. Compared with the traditional feeding system, the new defoamer feeding concept made only few direct improvements to the wet end operations and the produced paper itself. The lower defoamer need was noticed to have a positive influence on hydrophobic sizing and paper defects. The surfaces of the white water tanks and the operation of pumps were assessed based on the density variations of the suspension. The temperature in the white water silo was stated to have a significant influence on the air content measured in the first centrifugal cleaning stage.

Kuplakokojakauman hallinta happidelignifioinnissa

Työn tarkoituksena oli uutta kuvantamistekniikkaa hyödyntäen tutkia erilaisten tekijöiden vaikutusta kaasun dispergoitumiseen kemikaalisekoittimessa, kun kaasua sekoitetaan keskisakeaan massaan. Lisäksi työssä pyrittiin selvittämään, kuinka paljon kuitususpensioon tuotettu kaasufaasin kuplakokojakauma vaikuttaa happidelignifioinnin tulokseen. Kaasumaisten aineiden käyttäytymistä keskisakeissa kuitususpensiossa ei tarkkaan tunneta. Mikäli kaasumaisen hapen käyttäytymisestä saadaan uutta tietoa, tarjoaa tämä muun muassa uusia mahdollisuuksia kaasua sekoittavien laitteiden tuotekehityksessä. Työn kokeellinen osuus koostui kahdesta osasta, joista ensimmäisessä osassa selvitettiin sekoittimen roottorin pyörimisnopeuden, reaktorin kaasutilavuuden sekä suspension sakeuden vaikutusta muodostuvaan kaasun kuplakokojakaumaan. Työn jälkimmäisessä osassa arvioitiin yksivaiheisten keskisakeudessa tehtyjen happidelignifiointien perusteella suspensioon tuotetun kaasun kuplakokojakauman merkitystä happidelignifiointitulokseen. Kuplakokojakaumat määritettiin reaktoriin kiinnitetyllä kameralla kuvatuista valokuvista, joita otettiin sekoitustapahtuman aikana. Työn tuloksien perusteella sekoituksen voimakkuudella oli suurin vaikutus suspensioon muodostuvan kuplakokojakauman kannalta. Roottorin kierrosnopeuden kasvaessa kaasun keskimääräinen kuplakoko pieneni sekä havaittujen kuplien lukumäärää kasvoi huomattavasti. Myös suspension sakeuden kasvattamisen havaittiin vaikuttavan kuplakokoon pienentävästi. Happidelignifioinneissa saavutettiin paras kappareduktio, kun kaasun kuplakoko oli mahdollisimman pieni. Käytetty kuvantamistekniikka on tiettävästi ensimmäinen menetelmä, jolla saadaan reaaliaikaista tietoa vain muutamien kymmenien mikrometrien kokoisten kaasukuplien käyttäytymisestä oikeassa prosessitilanteessa.

Epäpuhtausmetallien talteenotto sinkkiprosessissa

There are small amounts of valuable metals, such as indium, gallium and germanium, in zinc process solutions. Their solvent extraction was studied in this work in sulphate solutions containing zinc and other metals present in industrial solutions. It was discovered, that a commercial bis(2-ethylhexyl)phosphate (D2EHPA) extractant can be used to extract indium and gallium. Indium was extracted separately at a higher acid concentration than gallium. Zinc was co-extracted faster than gallium and almost as much as gallium at the same pH. However, the scrubbing of zinc was possible using a dilute sulphuric acid and a short contact time while gallium losses were small. Both indium and gallium were stripped with sulphuric acid. Germanium was extracted with 5,8-diethyl-7-hydroxydodecane-6-oxime with the commercial name of LIX 63. Unlike other metals in the solution the extraction of germanium increased with different extractants as the acidity increased. Germanium extraction isotherm was measured for a 125 g/L sulfuric acid solution. The loaded organic phase was washed with pure water. It removed the co-extracted acid and part of the germanium and extracted impurities such as iron and copper. Germanium was stripped using a NaOH solution. A process model utilizing own experimentally determined extraction, scrubbing and stripping isotherms was made with HSC Sim software developed by Outotec Oyj. The model based on McCabe–Thiele diagrams was used in sizing the necessary amount of stages and phase ratios in a recovery process. It was concluded, that indium, gallium and germanium can be recovered in the process from a feed where their concentrations are low (<300 ppm). In an example case the feed contained also more than 20 g/L zinc and 2–8 g/L iron, aluminium and copper. The recoveries of indium, gallium and germanium were more than 90 % when 1–3 stages were used in each extraction, scrubbing and stripping section. Since the number of stages is small mixer-settlers would be well suited for this purpose.

Happidispersion karakterisointi laboratoriosekoittimessa

Työn tarkoituksena oli tarkastella uutta kuvantamistekniikkaa käyttäen happikaasun dispergointia keskisakeuksisen massasuspension joukkoon laboratoriosekoittimessa. Työssä pyrittiin tarkastelemaan muodostuvan dispersion homogeenisuutta neljästä eri kuvauspisteestä sekoittimen kannesta ja kyljestä. Samalla tarkasteltiin myös sekoittimen tehonkulutusta sekä tehonkulutuksen ja aikaansaadun dispersion välistä yhteyttä. Työn yhtenä tarkoituksena oli myös tarkastella uuden kuvantamistekniikan mahdollisuuksia tämäntyyppisissä sovellutuksissa, sillä työ kuuluu PulpVision-projektiin, jossa kehitetään massa- ja paperiteollisuuden uusia konenäkösovellutuksia. Työn kokeellinen osuus koostui sekoituskokeista, joissa tarkasteltiin neljästä kuvauspisteestä kahdella sekoittimen nopeudella mänty- ja koivususpensioihin muodostuvaa kuplakokojakaumaa. Sekoituskokeiden lisäksi tehtiin tehonkulutuskokeita, joissa tarkasteltiin sekoittimen tehonkulutusta sekoittimen täyttöasteen funktiona koivu- ja mäntysuspensioilla sekä vedellä. Työn tuloksien perusteella todettiin, että koivususpensiosta havaittujen kuplien pinta-ala oli noin puolet mäntysuspensiosta havaittujen kuplien pinta-alasta. Sekoittimen roottorin pyörimisnopeuden puolittuessa suspensioon dispergoidun hapen kuplakoko kasvoi huomattavasti. Neljästä kuvausyhteestä tarkasteltuna havaittiin pienimpien kuplien esiintyvän sekoittimen alaosassa. Mäntysuspension tehonkulutuksen havaittiin kasvavan viidenneksellä, kun sekoittimen täyttöaste kasvoi 10 %, kun taas koivususpension tehonkulutuksen kasvu oli tästä vain puolet. Kuvantamislaitteiston todettiin olevan tämänkaltaiseen sovellutukseen riittävä, varsinkin kun valonlähteenä käytetään pulssilaseria.

Kaasun dispergoituminen tehdasmittakaavaisessa keskisakean massan sekoittimessa

Työn tarkoituksena oli selvittää Proto 10 kemikaalisekoittimen kyky dispergoida kaasua keskisakean valkaistun mäntysellun joukkoon. Työssä käytettiin kuvantamistekniikkaa, jonka avulla pystyttiin näkemään sekoittimen ja putkiston sisälle sekoitustapahtuman aikana. Muodostunutta dispersiota tarkasteltiin kolmesta kuvauspisteestä, joista yksi sijaitsi sekoittimen pesässä ja kaksi putkistossa sekoittimen jälkeen. Työssä verrattiin myös laboratoriosekoittimella saatuja tuloksia teollisen mittakaavan sekoittimella saatuihin tuloksiin, sekä määritettiin tarvittava pinta-aktiivisen aineen konsentraatio, jolla saavutettiin ruskeaa massaa vastaava vaahtoaminen. Työn kokeellinen osuus koostui kolmesta osasta. Ensimmäisessä vaiheessa tutkittiin ruskeasta mänty- ja koivumassasta lingotun suodoksen vaahtoamista ja verrattiin sitä vedellä ja pesuaineella saatavaan vaahtoon. Toisessa vaiheessa suoritettiin referenssiajot laboratoriosekoittimen ja teollisen mittakaavan sekoittimen vertailua varten Quantum Mark IV laboratoriosekoittimella. Kolmannessa vaiheessa tutkittiin Proto 10 sekoittimen kykyä dispergoida kaasua mäntysellun joukkoon eri pyörimisnopeuksilla ja virtaamilla. Työn tuloksien perusteella energiankäytön kannalta paras pyörimisnopeus Proto 10 sekoittimelle on 1500 min-1. Nostamalla kierrosnopeutta yli tämän ei saavutettu merkittävää parannusta dispersion laadussa varsinkaan suuremmilla virtaamilla. Virtaamalla todettiin olevan suuri merkitys sekoitustulokseen. Laboratoriosekoittimella tehtyjen kokeiden todettiin vastaavan parhaiten teollisen mittakaavan tuloksia pyörimisnopeudella 1200 min-1.

Portable flow board for storage of fruits and vegetables in mini-chambers with controlled atmosphere

ABSTRACT A portable flow board system was developed in the present study with the aim to facilitate lab-scale experiments of controlled atmosphere (CA) with fruits and vegetables. This sturdy flow board combines ease fabrication, low cost and gas economy. Its functionality is provided by manifolds and gas mixers. Each gaseous component is supplied by a gas cylinder through a differential valve of adjusted pressure control, generally at 6 kPa, and forced through 13 standardized restrictors coupled to each manifold output. Controlled atmospheres are then formed with one, two or three gases in 13 gas mixers affixed to the flow board base, which are further conducted through flexible tubes to storage mini-chambers that can also be used to study metabolic consumption and production of gaseous components. The restrictors used in the flow gaseous components were manufactured from microhematocrit test-type capillary glass tubes following the hot forming method under continuous air flow. The portable flow board showed to be low cost and simple post-harvest equipment that allows preparing controlled atmospheres in open systems with stable composition and flow, in a manner similar to traditional flow boards with control of gas escape by barostats.

Vibration analysis for Bearing outer race condition diagnostics

This paper investigates defect detection methodologies for rolling element bearings through vibration analysis. Specifically, the utility of a new signal processing scheme combining the High Frequency Resonance Technique (HFRT) and Adaptive Line Enhancer (ALE) is investigated. The accelerometer is used to acquire data for this analysis, and experimental results have been obtained for outer race defects. Results show the potential effectiveness of the signal processing technique to determine both the severity and location of a defect. The HFRT utilizes the fact that much of the energy resulting from a defect impact manifests itself in the higher resonant frequencies of a system. Demodulation of these frequency bands through use of the envelope technique is then employed to gain further insight into the nature of the defect while further increasing the signal to noise ratio. If periodic, the defect frequency is then present in the spectra of the enveloped signal. The ALE is used to enhance the envelope spectrum by reducing the broadband noise. It provides an enhanced envelope spectrum with clear peaks at the harmonics of a characteristic defect frequency. It is implemented by using a delayed version of the signal and the signal itself to decorrelate the wideband noise. This noise is then rejected by the adaptive filter that is based upon the periodic information in the signal. Results have been obtained for outer race defects. They show the effectiveness of the methodology to determine both the severity and location of a defect. In two instances, a linear relationship between signal characteristics and defect size is indicated.

Biomassahydrolysaattien puhdistus uutolla

Lignoselluloosasta koostuvasta biomassasta valmistetaan hydrolysoimalla sokereita, jotka jatkojalostetaan fermentoimalla bioetanoliksi. Bioetanolia käytetään fossiilisten polttoaineiden korvaajana esimerkiksi ajoneuvoissa. Bioetanolin valmistuksessa pyritään mahdollisimman hyvään saantoon, jotta sen valmistus olisi taloudellisesti kannattavaa. Hydrolyysin aikana syntyy sokerien lisäksi orgaanisia happoja, furaanin johdannaisia sekä fenolisia yhdisteitä. Yleisimpiä syntyviä yhdisteitä ovat muun muassa etikkahappo, furfuraali ja hydroksimetyylifurfuraali. Nämä yhdisteet haittaavat sokerien fermentointiprosessia ja pienentävät etanolin saantoa. Fermentointiprosessia haittaavien yhdisteiden poistoon hydrolysaattiliuoksesta voidaan käyttää esimerkiksi haihdutusta, membraanierotusta, adsorptiota, saostusta, sekä uuttoa. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia leikkaussekoittimen soveltuvuutta biomassahydrolysaatin epäpuhtauksien erotukseen. Lisäksi kirjallisuusosassa on esitetty hydrolysointiprosessissa syntyviä haitta-aineita ja niiden erotusmenetelmiä.