Computational modelling of human stem cell-derived cardiomyocytes - Texture descriptors for biological image processing

This thesis investigates two distinct research topics. The main topic (Part I) is the computational modelling of cardiomyocytes derived from human stem cells, both embryonic (hESC-CM) and induced-pluripotent (hiPSC-CM). The aim of this research line lies in developing models of the electrophysiology of hESC-CM and hiPSC-CM in order to integrate the available experimental data and getting in-silico models to be used for studying/making new hypotheses/planning experiments on aspects not fully understood yet, such as the maturation process, the functionality of the Ca2+ hangling or why the hESC-CM/hiPSC-CM action potentials (APs) show some differences with respect to APs from adult cardiomyocytes. Chapter I.1 introduces the main concepts about hESC-CMs/hiPSC-CMs, the cardiac AP, and computational modelling. Chapter I.2 presents the hESC-CM AP model, able to simulate the maturation process through two developmental stages, Early and Late, based on experimental and literature data. Chapter I.3 describes the hiPSC-CM AP model, able to simulate the ventricular-like and atrial-like phenotypes. This model was used to assess which currents are responsible for the differences between the ventricular-like AP and the adult ventricular AP. The secondary topic (Part II) consists in the study of texture descriptors for biological image processing. Chapter II.1 provides an overview on important texture descriptors such as Local Binary Pattern or Local Phase Quantization. Moreover the non-binary coding and the multi-threshold approach are here introduced. Chapter II.2 shows that the non-binary coding and the multi-threshold approach improve the classification performance of cellular/sub-cellular part images, taken from six datasets. Chapter II.3 describes the case study of the classification of indirect immunofluorescence images of HEp2 cells, used for the antinuclear antibody clinical test. Finally the general conclusions are reported.

Nanomechanical and phononic properties of structured soft materials

Significant interest in nanotechnology, is stimulated by the fact that materials exhibit qualitative changes of properties when their dimensions approach ”finite-sizes”. Quantization of electronic, optical and acoustic energies at the nanoscale provides novel functions, with interests spanning from electronics and photonics to biology. The present dissertation involves the application of Brillouin light scattering (BLS) to quantify and utilize material displacementsrnfor probing phononics and elastic properties of structured systems with dimensions comparable to the wavelength of visible light. The interplay of wave propagation with materials exhibiting spatial inhomogeneities at sub-micron length scales provides information not only about elastic properties but also about structural organization at those length scales. In addition the vector nature of q allows, for addressing the directional dependence of thermomechanical properties. To meet this goal, one-dimensional confined nanostructures and a biological system possessing high hierarchical organization were investigated. These applications extend the capabilities of BLS from a characterization tool for thin films to a method for unravelingrnintriguing phononic properties in more complex systems.

Konstruktion und Analyse einer funktionalen Renormierungsgruppengleichung für Gravitation im Einstein-Cartan-Zugang

Während das Standardmodell der Elementarteilchenphysik eine konsistente, renormierbare Quantenfeldtheorie dreier der vier bekannten Wechselwirkungen darstellt, bleibt die Quantisierung der Gravitation ein bislang ungelöstes Problem. In den letzten Jahren haben sich jedoch Hinweise ergeben, nach denen metrische Gravitation asymptotisch sicher ist. Das bedeutet, daß sich auch für diese Wechselwirkung eine Quantenfeldtheorie konstruieren läßt. Diese ist dann in einem verallgemeinerten Sinne renormierbar, der nicht mehr explizit Bezug auf die Störungstheorie nimmt. Zudem sagt dieser Zugang, der auf der Wilsonschen Renormierungsgruppe beruht, die korrekte mikroskopische Wirkung der Theorie voraus. Klassisch ist metrische Gravitation auf dem Niveau der Vakuumfeldgleichungen äquivalent zur Einstein-Cartan-Theorie, die das Vielbein und den Spinzusammenhang als fundamentale Variablen verwendet. Diese Theorie besitzt allerdings mehr Freiheitsgrade, eine größere Eichgruppe, und die zugrundeliegende Wirkung ist von erster Ordnung. Alle diese Eigenschaften erschweren eine zur metrischen Gravitation analoge Behandlung.rnrnIm Rahmen dieser Arbeit wird eine dreidimensionale Trunkierung von der Art einer verallgemeinerten Hilbert-Palatini-Wirkung untersucht, die neben dem Laufen der Newton-Konstante und der kosmologischen Konstante auch die Renormierung des Immirzi-Parameters erfaßt. Trotz der angedeuteten Schwierigkeiten war es möglich, das Spektrum des freien Hilbert-Palatini-Propagators analytisch zu berechnen. Auf dessen Grundlage wird eine Flußgleichung vom Propertime-Typ konstruiert. Zudem werden geeignete Eichbedingungen gewählt und detailliert analysiert. Dabei macht die Struktur der Eichgruppe eine Kovariantisierung der Eichtransformationen erforderlich. Der resultierende Fluß wird für verschiedene Regularisierungsschemata und Eichparameter untersucht. Dies liefert auch im Einstein-Cartan-Zugang berzeugende Hinweise auf asymptotische Sicherheit und damit auf die mögliche Existenz einer mathematisch konsistenten und prädiktiven fundamentalen Quantentheorie der Gravitation. Insbesondere findet man ein Paar nicht-Gaußscher Fixpunkte, das Anti-Screening aufweist. An diesen sind die Newton-Konstante und die kosmologische Konstante jeweils relevante Kopplungen, wohingegen der Immirzi-Parameter an einem Fixpunkt irrelevant und an dem anderen relevant ist. Zudem ist die Beta-Funktion des Immirzi-Parameters von bemerkenswert einfacher Form. Die Resultate sind robust gegenüber Variationen des Regularisierungsschemas. Allerdings sollten zukünftige Untersuchungen die bestehenden Eichabhängigkeiten reduzieren.

Higher Chern-Simons gauge theory

Higher gauge theory arises naturally in superstring theory, but many of its features remain obscure. In this thesis, after an exposition of the bacis tools in local higher gauge theory, a higher gauge Chern-Simons model is defined. We discuss the classical equations of motion as well as the behaviour of the gauge anomaly. We perform canonical quantization and we introduce two possible quantization schemes for the model. We also expound higher parallel transport in higher gauge theory, and we speculate that it can provide Wilson surfaces as topological observables for the higher gauge Chern-Simons theory.

Konzeption, Entwicklung und Test einer Apparatur zur Messung der elektrischen Ladung des Neutrons

Die elektrische Ladung des Neutrons ist eng mit der Frage nach der Existenz der Ladungsquantisierung verknüpft: Sollte das Neutron eine Ladung tragen, kann die Ladung nicht in Einheiten der Elementarladung e quantisiert sein.rnrnIm Rahmen der Elektrodynamik und des minimalen Standardmodells ist die Quantisierung der Ladung nicht enthalten. Eine mögliche Neutronenladung würde ihnen also nicht widersprechen. Allerdings geht sie aus den Weiterentwicklungen dieser Modelle hervor. Die sogenannten Grand Unified Theories sagen die Möglichkeit des Protonenzerfalls vorher. Dieser ist nur möglich, wenn die Ladung quantisiert ist.rnrnDurch die Messung einer elektrischen Ladung des Neutrons können die verschiedenen Theorien überprüft werden.rnrnIm Rahmen dieser Arbeit wurde eine Apparatur entwickelt, mit der die elektrische Ladung des Neutrons gemessen werden kann. Als Grundlage diente das Prinzip einer Messung von 1988. Mit einem flüssigen Neutronenspiegel aus Fomblin ist es zum ersten mal überhaupt gelungen, einen flüssigen Spiegel für Neutronen einzusetzen. Durch diese und andere Verbesserungen konnte die Sensitivität der Apparatur um einen Faktor 5 im Vergleich zum Experimentrnvon 1988 verbessert werden. Eine mögliche Ladung des Neutrons kann mit δq_n = 2,15·10^(−20)·e/√day gemessen werden. rnrnDie Messung der elektrischen Ladung soll im Winter 2014 durchgeführt werden. Bis dahin soll die Präzision aufrnδq_n = 1,4·10^(−21)·e/√day erhöht werden.

Untersuchung der Ladung des Neutrons

Die Quantisierung der elektrischen Ladung ist eine der größten Fragestellungen der Physik, die bis heute nicht verstanden ist. Im Standardmodell der Teilchenphysik ist sie beispielsweise nicht mathematisch inhärent erklärbar. Dadurch wäre es möglich, dass das Neutron eine winzige Ladung tragen kann. In dieser Arbeit wurde eine Apparatur auf Grundlage eines Vorgängerexperiments entwickelt, mit der eine Untersuchung der Ladung des Neutrons mit höchster Präzision durchgeführt werden kann. Dabei werden ultrakalte Neutronen in einem optischen System einem elektrischen Feld zwischen zwei Elektrodenplatten ausgesetzt. In der ersten Ladungsmessung mit dieser Apparatur konnte eine statistische Sensitivität von δq≈2,4∙10⁻²⁰ e/√d erreicht werden. Diese Sensitivität ist die höchste, die bisher mit ultrakalten Neutronen für eine Ladungsmessung erreicht werden konnte. In dieser Arbeit wurde das Konzept des Vorgängerexperiments grundlegend überarbeitet, um die Sensitivität der Apparatur zu erhöhen. Es wurden detaillierte Untersuchungen der Systematik der Apparatur durchgeführt und das theoretische Potential der Sensitivität von derzeit δq≈10⁻²¹ e/√d ermittelt. Mit dieser Apparatur wurde der Grundstein für die Messung einer neuen niedrigeren oberen Grenze der elektrischen Ladung des Neutrons gelegt. In nächster Zeit kann dadurch eine niedrigere obere Grenze für die Ladung des Neutrons von q≈10⁻²² e erzielt werden.

Light Transport in PT-invariant Photonic Structures with Hidden Symmetries

We introduce a recursive bosonic quantization technique for generating classical PT photonic structures that possess hidden symmetries and higher order exceptional points. We study light transport in these geometries and we demonstrate that perfect state transfer is possible only for certain initial conditions. Moreover, we show that for the same propagation direction, left and right coherent transports are not symmetric with field amplitudes following two different trajectories. A general scheme for identifying the conservation laws in such PT-symmetric photonic networks is also presented.

Retrospective analysis of a nonforecasted rain-on-snow flood in the Alps – a matter of model limitations or unpredictable nature?

A rain-on-snow flood occurred in the Bernese Alps, Switzerland, on 10 October 2011, and caused significant damage. As the flood peak was unpredicted by the flood forecast system, questions were raised concerning the causes and the predictability of the event. Here, we aimed to reconstruct the anatomy of this rain-on-snow flood in the Lötschen Valley (160 km2) by analyzing meteorological data from the synoptic to the local scale and by reproducing the flood peak with the hydrological model WaSiM-ETH (Water Flow and Balance Simulation Model). This in order to gain process understanding and to evaluate the predictability. The atmospheric drivers of this rain-on-snow flood were (i) sustained snowfall followed by (ii) the passage of an atmospheric river bringing warm and moist air towards the Alps. As a result, intensive rainfall (average of 100 mm day-1) was accompanied by a temperature increase that shifted the 0° line from 1500 to 3200 m a.s.l. (meters above sea level) in 24 h with a maximum increase of 9 K in 9 h. The south-facing slope of the valley received significantly more precipitation than the north-facing slope, leading to flooding only in tributaries along the south-facing slope. We hypothesized that the reason for this very local rainfall distribution was a cavity circulation combined with a seeder-feeder-cloud system enhancing local rainfall and snowmelt along the south-facing slope. By applying and considerably recalibrating the standard hydrological model setup, we proved that both latent and sensible heat fluxes were needed to reconstruct the snow cover dynamic, and that locally high-precipitation sums (160 mm in 12 h) were required to produce the estimated flood peak. However, to reproduce the rapid runoff responses during the event, we conceptually represent likely lateral flow dynamics within the snow cover causing the model to react "oversensitively" to meltwater. Driving the optimized model with COSMO (Consortium for Small-scale Modeling)-2 forecast data, we still failed to simulate the flood because COSMO-2 forecast data underestimated both the local precipitation peak and the temperature increase. Thus we conclude that this rain-on-snow flood was, in general, predictable, but requires a special hydrological model setup and extensive and locally precise meteorological input data. Although, this data quality may not be achieved with forecast data, an additional model with a specific rain-on-snow configuration can provide useful information when rain-on-snow events are likely to occur.

Holes localized on a Skyrmion in a doped antiferromagnet on the honeycomb lattice: Symmetry analysis

Using the low-energy effective field theory for hole-doped antiferromagnets on the honeycomb lattice, we study the localization of holes on Skyrmions, as a potential mechanism for the preformation of Cooper pairs. In contrast to the square lattice case, for the standard radial profile of the Skyrmion on the honeycomb lattice, only holes residing in one of the two hole pockets can get localized. This differs qualitatively from hole pairs bound by magnon exchange, which is most attractive between holes residing in different momentum space pockets. On the honeycomb lattice, magnon exchange unambiguously leads to f-wave pairing, which is also observed experimentally. Using the collective-mode quantization of the Skyrmion, we determine the quantum numbers of the localized hole pairs. Again, f-wave symmetry is possible, but other competing pairing symmetries cannot be ruled out.

A combined measure for quantifying and qualifying the topology preservation of growing self-organizing maps

The Self-OrganizingMap (SOM) is a neural network model that performs an ordered projection of a high dimensional input space in a low-dimensional topological structure. The process in which such mapping is formed is defined by the SOM algorithm, which is a competitive, unsupervised and nonparametric method, since it does not make any assumption about the input data distribution. The feature maps provided by this algorithm have been successfully applied for vector quantization, clustering and high dimensional data visualization processes. However, the initialization of the network topology and the selection of the SOM training parameters are two difficult tasks caused by the unknown distribution of the input signals. A misconfiguration of these parameters can generate a feature map of low-quality, so it is necessary to have some measure of the degree of adaptation of the SOM network to the input data model. The topologypreservation is the most common concept used to implement this measure. Several qualitative and quantitative methods have been proposed for measuring the degree of SOM topologypreservation, particularly using Kohonen's model. In this work, two methods for measuring the topologypreservation of the Growing Cell Structures (GCSs) model are proposed: the topographic function and the topology preserving map

Design and Validation of an Optimized MB-OFDM Ultra Wideband Transceiver System

Esta tesis está incluida dentro del campo del campo de Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ultra Wideband (MB-OFDM UWB), el cual ha adquirido una gran importancia en las comunicaciones inalámbricas de alta tasa de datos en la última década. UWB surgió con el objetivo de satisfacer la creciente demanda de conexiones inalámbricas en interiores y de uso doméstico, con bajo coste y alta velocidad. La disponibilidad de un ancho de banda grande, el potencial para alta velocidad de transmisión, baja complejidad y bajo consumo de energía, unido al bajo coste de implementación, representa una oportunidad única para que UWB se convierta en una solución ampliamente utilizada en aplicaciones de Wireless Personal Area Network (WPAN). UWB está definido como cualquier transmisión que ocupa un ancho de banda de más de 20% de su frecuencia central, o más de 500 MHz. En 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) definió que el rango de frecuencias de transmisión de UWB legal es de 3.1 a 10.6 GHz, con una energía de transmisión de -41.3 dBm/Hz. Bajo las directrices de FCC, el uso de la tecnología UWB puede aportar una enorme capacidad en las comunicaciones de corto alcance. Considerando las ecuaciones de capacidad de Shannon, incrementar la capacidad del canal requiere un incremento lineal en el ancho de banda, mientras que un aumento similar de la capacidad de canal requiere un aumento exponencial en la energía de transmisión. En los últimos años, s diferentes desarrollos del UWB han sido extensamente estudiados en diferentes áreas, entre los cuales, el protocolo de comunicaciones inalámbricas MB-OFDM UWB está considerado como la mejor elección y ha sido adoptado como estándar ISO/IEC para los WPANs. Combinando la modulación OFDM y la transmisión de datos utilizando las técnicas de salto de frecuencia, el sistema MB-OFDM UWB es capaz de soportar tasas de datos con que pueden variar de los 55 a los 480 Mbps, alcanzando una distancia máxima de hasta 10 metros. Se esperara que la tecnología MB-OFDM tenga un consumo energético muy bajo copando un are muy reducida en silicio, proporcionando soluciones de bajo coste que satisfagan las demandas del mercado. Para cumplir con todas estas expectativas, el desarrollo y la investigación del MBOFDM UWB deben enfrentarse a varios retos, como son la sincronización de alta sensibilidad, las restricciones de baja complejidad, las estrictas limitaciones energéticas, la escalabilidad y la flexibilidad. Tales retos requieren un procesamiento digital de la señal de última generación, capaz de desarrollar sistemas que puedan aprovechar por completo las ventajas del espectro UWB y proporcionar futuras aplicaciones inalámbricas en interiores. Esta tesis se centra en la completa optimización de un sistema de transceptor de banda base MB-OFDM UWB digital, cuyo objetivo es investigar y diseñar un subsistema de comunicación inalámbrica para la aplicación de las Redes de Sensores Inalámbricas Visuales. La complejidad inherente de los procesadores FFT/IFFT y el sistema de sincronización así como la alta frecuencia de operación para todos los elementos de procesamiento, se convierten en el cuello de la botella para el diseño y la implementación del sistema de UWB digital en base de banda basado en MB-OFDM de baja energía. El objetivo del transceptor propuesto es conseguir baja energía y baja complejidad bajo la premisa de un alto rendimiento. Las optimizaciones están realizadas tanto a nivel algorítmico como a nivel arquitectural para todos los elementos del sistema. Una arquitectura hardware eficiente en consumo se propone en primer lugar para aquellos módulos correspondientes a núcleos de computación. Para el procesado de la Transformada Rápida de Fourier (FFT/IFFT), se propone un algoritmo mixed-radix, basado en una arquitectura con pipeline y se ha desarrollado un módulo de Decodificador de Viterbi (VD) equilibrado en coste-velocidad con el objetivo de reducir el consumo energético e incrementar la velocidad de procesamiento. También se ha implementado un correlador signo-bit simple basado en la sincronización del tiempo de símbolo es presentado. Este correlador es usado para detectar y sincronizar los paquetes de OFDM de forma robusta y precisa. Para el desarrollo de los subsitemas de procesamiento y realizar la integración del sistema completo se han empleado tecnologías de última generación. El dispositivo utilizado para el sistema propuesto es una FPGA Virtex 5 XC5VLX110T del fabricante Xilinx. La validación el propuesta para el sistema transceptor se ha implementado en dicha placa de FPGA. En este trabajo se presenta un algoritmo, y una arquitectura, diseñado con filosofía de co-diseño hardware/software para el desarrollo de sistemas de FPGA complejos. El objetivo principal de la estrategia propuesta es de encontrar una metodología eficiente para el diseño de un sistema de FPGA configurable optimizado con el empleo del mínimo esfuerzo posible en el sistema de procedimiento de verificación, por tanto acelerar el periodo de desarrollo del sistema. La metodología de co-diseño presentada tiene la ventaja de ser fácil de usar, contiene todos los pasos desde la propuesta del algoritmo hasta la verificación del hardware, y puede ser ampliamente extendida para casi todos los tipos de desarrollos de FPGAs. En este trabajo se ha desarrollado sólo el sistema de transceptor digital de banda base por lo que la comprobación de señales transmitidas a través del canal inalámbrico en los entornos reales de comunicación sigue requiriendo componentes RF y un front-end analógico. No obstante, utilizando la metodología de co-simulación hardware/software citada anteriormente, es posible comunicar el sistema de transmisor y el receptor digital utilizando los modelos de canales propuestos por IEEE 802.15.3a, implementados en MATLAB. Por tanto, simplemente ajustando las características de cada modelo de canal, por ejemplo, un incremento del retraso y de la frecuencia central, podemos estimar el comportamiento del sistema propuesto en diferentes escenarios y entornos. Las mayores contribuciones de esta tesis son: • Se ha propuesto un nuevo algoritmo 128-puntos base mixto FFT usando la arquitectura pipeline multi-ruta. Los complejos multiplicadores para cada etapa de procesamiento son diseñados usando la arquitectura modificada shiftadd. Los sistemas word length y twiddle word length son comparados y seleccionados basándose en la señal para cuantización del SQNR y el análisis de energías. • El desempeño del procesador IFFT es analizado bajo diferentes situaciones aritméticas de bloques de punto flotante (BFP) para el control de desbordamiento, por tanto, para encontrar la arquitectura perfecta del algoritmo IFFT basado en el procesador FFT propuesto. • Para el sistema de receptor MB-OFDM UWB se ha empleado una sincronización del tiempo innovadora, de baja complejidad y esquema de compensación, que consiste en funciones de Detector de Paquetes (PD) y Estimación del Offset del tiempo. Simplificando el cross-correlation y maximizar las funciones probables solo a sign-bit, la complejidad computacional se ve reducida significativamente. • Se ha propuesto un sistema de decodificadores Viterbi de 64 estados de decisión-débil usando velocidad base-4 de arquitectura suma-comparaselecciona. El algoritmo Two-pointer Even también es introducido en la unidad de rastreador de origen con el objetivo de conseguir la eficiencia en el hardware. • Se han integrado varias tecnologías de última generación en el completo sistema transceptor basebanda , con el objetivo de implementar un sistema de comunicación UWB altamente optimizado. • Un diseño de flujo mejorado es propuesto para el complejo sistema de implementación, el cual puede ser usado para diseños de Cadena de puertas de campo programable general (FPGA). El diseño mencionado no sólo reduce dramáticamente el tiempo para la verificación funcional, sino también provee un análisis automático como los errores del retraso del output para el sistema de hardware implementado. • Un ambiente de comunicación virtual es establecido para la validación del propuesto sistema de transceptores MB-OFDM. Este método es provisto para facilitar el uso y la conveniencia de analizar el sistema digital de basebanda sin parte frontera analógica bajo diferentes ambientes de comunicación. Esta tesis doctoral está organizada en seis capítulos. En el primer capítulo se encuentra una breve introducción al campo del UWB, tanto relacionado con el proyecto como la motivación del desarrollo del sistema de MB-OFDM. En el capítulo 2, se presenta la información general y los requisitos del protocolo de comunicación inalámbrica MBOFDM UWB. En el capítulo 3 se habla de la arquitectura del sistema de transceptor digital MB-OFDM de banda base . El diseño del algoritmo propuesto y la arquitectura para cada elemento del procesamiento está detallado en este capítulo. Los retos de diseño del sistema que involucra un compromiso de discusión entre la complejidad de diseño, el consumo de energía, el coste de hardware, el desempeño del sistema, y otros aspectos. En el capítulo 4, se ha descrito la co-diseñada metodología de hardware/software. Cada parte del flujo del diseño será detallado con algunos ejemplos que se ha hecho durante el desarrollo del sistema. Aprovechando esta estrategia de diseño, el procedimiento de comunicación virtual es llevado a cabo para probar y analizar la arquitectura del transceptor propuesto. Los resultados experimentales de la co-simulación y el informe sintético de la implementación del sistema FPGA son reflejados en el capítulo 5. Finalmente, en el capítulo 6 se incluye las conclusiones y los futuros proyectos, y también los resultados derivados de este proyecto de doctorado. ABSTRACT In recent years, the Wireless Visual Sensor Network (WVSN) has drawn great interest in wireless communication research area. They enable a wealth of new applications such as building security control, image sensing, and target localization. However, nowadays wireless communication protocols (ZigBee, Wi-Fi, and Bluetooth for example) cannot fully satisfy the demands of high data rate, low power consumption, short range, and high robustness requirements. New communication protocol is highly desired for such kind of applications. The Ultra Wideband (UWB) wireless communication protocol, which has increased in importance for high data rate wireless communication field, are emerging as an important topic for WVSN research. UWB has emerged as a technology that offers great promise to satisfy the growing demand for low-cost, high-speed digital wireless indoor and home networks. The large bandwidth available, the potential for high data rate transmission, and the potential for low complexity and low power consumption, along with low implementation cost, all present a unique opportunity for UWB to become a widely adopted radio solution for future Wireless Personal Area Network (WPAN) applications. UWB is defined as any transmission that occupies a bandwidth of more than 20% of its center frequency, or more than 500 MHz. In 2002, the Federal Communications Commission (FCC) has mandated that UWB radio transmission can legally operate in the range from 3.1 to 10.6 GHz at a transmitter power of －41.3 dBm/Hz. Under the FCC guidelines, the use of UWB technology can provide enormous capacity over short communication ranges. Considering Shannon’s capacity equations, increasing the channel capacity requires linear increasing in bandwidth, whereas similar channel capacity increases would require exponential increases in transmission power. In recent years, several different UWB developments has been widely studied in different area, among which, the MB-OFDM UWB wireless communication protocol is considered to be the leading choice and has recently been adopted in the ISO/IEC standard for WPANs. By combing the OFDM modulation and data transmission using frequency hopping techniques, the MB-OFDM UWB system is able to support various data rates, ranging from 55 to 480 Mbps, over distances up to 10 meters. The MB-OFDM technology is expected to consume very little power and silicon area, as well as provide low-cost solutions that can satisfy consumer market demands. To fulfill these expectations, MB-OFDM UWB research and development have to cope with several challenges, which consist of high-sensitivity synchronization, low- complexity constraints, strict power limitations, scalability, and flexibility. Such challenges require state-of-the-art digital signal processing expertise to develop systems that could fully take advantages of the UWB spectrum and support future indoor wireless applications. This thesis focuses on fully optimization for the MB-OFDM UWB digital baseband transceiver system, aiming at researching and designing a wireless communication subsystem for the Wireless Visual Sensor Networks (WVSNs) application. The inherent high complexity of the FFT/IFFT processor and synchronization system, and high operation frequency for all processing elements, becomes the bottleneck for low power MB-OFDM based UWB digital baseband system hardware design and implementation. The proposed transceiver system targets low power and low complexity under the premise of high performance. Optimizations are made at both algorithm and architecture level for each element of the transceiver system. The low-power hardwareefficient structures are firstly proposed for those core computation modules, i.e., the mixed-radix algorithm based pipelined architecture is proposed for the Fast Fourier Transform (FFT/IFFT) processor, and the cost-speed balanced Viterbi Decoder (VD) module is developed, in the aim of lowering the power consumption and increasing the processing speed. In addition, a low complexity sign-bit correlation based symbol timing synchronization scheme is presented so as to detect and synchronize the OFDM packets robustly and accurately. Moreover, several state-of-the-art technologies are used for developing other processing subsystems and an entire MB-OFDM digital baseband transceiver system is integrated. The target device for the proposed transceiver system is Xilinx Virtex 5 XC5VLX110T FPGA board. In order to validate the proposed transceiver system in the FPGA board, a unified algorithm-architecture-circuit hardware/software co-design environment for complex FPGA system development is presented in this work. The main objective of the proposed strategy is to find an efficient methodology for designing a configurable optimized FPGA system by using as few efforts as possible in system verification procedure, so as to speed up the system development period. The presented co-design methodology has the advantages of easy to use, covering all steps from algorithm proposal to hardware verification, and widely spread for almost all kinds of FPGA developments. Because only the digital baseband transceiver system is developed in this thesis, the validation of transmitting signals through wireless channel in real communication environments still requires the analog front-end and RF components. However, by using the aforementioned hardware/software co-simulation methodology, the transmitter and receiver digital baseband systems get the opportunity to communicate with each other through the channel models, which are proposed from the IEEE 802.15.3a research group, established in MATLAB. Thus, by simply adjust the characteristics of each channel model, e.g. mean excess delay and center frequency, we can estimate the transmission performance of the proposed transceiver system through different communication situations. The main contributions of this thesis are: • A novel mixed radix 128-point FFT algorithm by using multipath pipelined architecture is proposed. The complex multipliers for each processing stage are designed by using modified shift-add architectures. The system wordlength and twiddle word-length are compared and selected based on Signal to Quantization Noise Ratio (SQNR) and power analysis. • IFFT processor performance is analyzed under different Block Floating Point (BFP) arithmetic situations for overflow control, so as to find out the perfect architecture of IFFT algorithm based on the proposed FFT processor. • An innovative low complex timing synchronization and compensation scheme, which consists of Packet Detector (PD) and Timing Offset Estimation (TOE) functions, for MB-OFDM UWB receiver system is employed. By simplifying the cross-correlation and maximum likelihood functions to signbit only, the computational complexity is significantly reduced. • A 64 state soft-decision Viterbi Decoder system by using high speed radix-4 Add-Compare-Select architecture is proposed. Two-pointer Even algorithm is also introduced into the Trace Back unit in the aim of hardware-efficiency. • Several state-of-the-art technologies are integrated into the complete baseband transceiver system, in the aim of implementing a highly-optimized UWB communication system. • An improved design flow is proposed for complex system implementation which can be used for general Field-Programmable Gate Array (FPGA) designs. The design method not only dramatically reduces the time for functional verification, but also provides automatic analysis such as errors and output delays for the implemented hardware systems. • A virtual communication environment is established for validating the proposed MB-OFDM transceiver system. This methodology is proved to be easy for usage and convenient for analyzing the digital baseband system without analog frontend under different communication environments. This PhD thesis is organized in six chapters. In the chapter 1 a brief introduction to the UWB field, as well as the related work, is done, along with the motivation of MBOFDM system development. In the chapter 2, the general information and requirement of MB-OFDM UWB wireless communication protocol is presented. In the chapter 3, the architecture of the MB-OFDM digital baseband transceiver system is presented. The design of the proposed algorithm and architecture for each processing element is detailed in this chapter. Design challenges of such system involve trade-off discussions among design complexity, power consumption, hardware cost, system performance, and some other aspects. All these factors are analyzed and discussed. In the chapter 4, the hardware/software co-design methodology is proposed. Each step of this design flow will be detailed by taking some examples that we met during system development. Then, taking advantages of this design strategy, the Virtual Communication procedure is carried out so as to test and analyze the proposed transceiver architecture. Experimental results from the co-simulation and synthesis report of the implemented FPGA system are given in the chapter 5. The chapter 6 includes conclusions and future work, as well as the results derived from this PhD work.

Contribution to active multi-beam reconfigurable antennas for L and S bands

La presente tesis doctoral con título "Contribution to Active Multi-Beam Reconfigurable Antennas for L and S Bands" ha sido desarrollada por el investigador ingeniero de telecomunicación estudiante de doctorado Javier García-Gasco Trujillo en el Grupo de Radiación del Departamento de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones de la ETSI de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid bajo la dirección de los doctores Manuel Sierra Pérez y José Manuel Fernández González. Durante décadas, el desarrollo de antenas de apuntamiento electrónico ha estado limitado al área militar. Su alto coste y su gran complejidad eran los mayores obstáculos que frenaban la introducción de esta tecnología en aplicaciones comerciales de gran escala. La reciente aparición de componentes de estado sólido prácticos, fiables, y de bajo coste ha roto la barrera del coste y ha reducido la complejidad, haciendo que las antenas reconfigurables de apuntamiento electrónico sean una opción viable en un futuro cercano. De esta manera, las antenas phased array podrían llegar a ser la joya de la corona que permitan alcanzar los futuros retos presentes en los sistemas de comunicaciones tanto civiles como militares. Así pues, ahora es el momento de investigar en el desarrollo de antenas de apuntamiento electrónico de bajo coste, donde los nuevos componentes de estado sólido comerciales forman el núcleo duro de la arquitectura. De esta forma, el estudio e implementación de estos arrays de antenas activas de apuntamiento electrónico capaces de controlar la fase y amplitud de las distintas señales implicadas es uno de los grandes retos de nuestro tiempo. Esta tesis se enfrenta a este desafío, proponiendo novedosas redes de apuntamiento electrónico e innovadores módulos de transmisión/recepción (T/R) utilizando componentes de estado sólido de bajo coste, que podrán integrar asequibles antenas activas reconfigurables multihaz en bandas L y S. En la primera parte de la tesis se realiza una descripción del estado del arte de las antenas phased array, incluyendo su base teórica y sus ventajas competitivas. Debido a que las contribuciones obtenidas en la presente tesis han sido realizadas dentro de distintos proyectos de investigación, donde se han manejada antenas de simple/doble polarización circular y simple/doble banda de trabajo, se describen detenidamente los dos proyectos más relevantes de la investigación: el radar de basura espacial de la Agencia Espacial Europea (ESA), Space Situational Awareness (SSA); y la estación base de seguimiento y control de satélites de órbita baja, GEOdesic Dome Array (GEODA). Sin lugar a dudas, los dispositivos desfasadores son uno de los componentes clave en el diseño de antenas phased arrays. Recientemente se ha observado una gran variación en el precio final de estos dispositivos, llegando en ocasiones a límites inasequibles. Así pues, se han propuesto distintas técnicas de conformación de haz alternativas a la utilización de componentes desfasadores comerciales: el desfasador de líneas conmutadas, la red de haz conmutado, y una novedosa red desfasadora divisora/combinadora de potencia. Para mostrar un uso práctico de las mismas, se ha propuesto el uso de las tres alternativas para el caso práctico del subarray de cinco elementos de la celda GEODA-SARAS. Tras dicho estudio se obtiene que la novedosa red desfasadora divisora/combinadora de potencia propuesta es la que mejor relación comportamiento/coste presenta. Para verificar su correcto funcionamiento se construye y mide los dos bloques principales de los que está compuesta la red total, comprobando que en efecto la red responde según lo esperado. La estructura más simple que permite realizar un barrido plano es el array triangular de tres elementos. Se ha realizado el diseño de una nueva red multihaz que es capaz de proporcionar tres haces ortogonales en un ángulo de elevación _0 y un haz adicional en la dirección broadside utilizando el mencionado array triangular de tres elementos como antena. En primer lugar se realizar una breve introducción al estado del arte de las redes clásicas multihaz. Así mismo se comentan innovadores diseños de redes multihaz sin pérdidas. El estudio da paso a las redes disipativas, de tal forma que se analiza su base matemática y se muestran distintas aplicaciones en arrays triangulares de tres elementos. Finalmente, la novedosa red básica propuesta se presenta, mostrando simulaciones y medidas de la misma para el caso prácticoo de GEODA. También se ha diseñado, construido y medido una red compuesta por dos redes básicas complementarias capaz de proporcionar seis haces cuasi-ortogonales en una dirección _0 con dos haces superpuestos en broadside. La red propuesta queda totalmente validada con la fabricación y medida de estos con prototipos. Las cadenas de RF de los módulos T/R de la nueva antena GEODA-SARAS no son algo trivial. Con el fin de mostrar el desarrollo de una cadena compleja con una gran densidad de componentes de estado sólido, se presenta una descripción detallada de los distintos componentes que integran las cadenas de RF tanto en transmisión como en recepción de la nueva antena GEODA-SARAS. Tras presentar las especificaciones de la antena GEODA-SARA y su diagrama de bloques esquemático se describen los dos bloques principales de las cadenas de RF: la celda de cinco elementos, y el módulo de conversión de panel. De la misma manera también se presentará el módulo de calibración integrado dentro de los dos bloques principales. Para comprobar que el funcionamiento esperado de la placa es el adecuado, se realizará un análisis que tratará entre otros datos: la potencia máxima en la entrada del transmisor (comprobando la saturación de la cadena), señal de recepción mínima y máxima (verificando el rango de sensibilidad requerido), y el factor G/T (cumpliendo la especificación necesaria). Así mismo se mostrará un breve estudio del efecto de la cuantificación de la fase en el conformado de haz de RF. Los estudios muestran que la composición de las cadenas de RF permite el cumplimiento de las especificaciones necesarias. Finalmente la tesis muestra las conclusiones globales del trabajo realizado y las líneas futuras a seguir para continuar con esta línea de investigación. ABSTRACT This PhD thesis named "Contribution to Active Multi-Beam Reconfigurable Antennas for L and S Bands", has been written by the Electrical Engineer MSc. researcher Javier García-Gasco Trujillo in the Grupo de Radiación of the Departamento de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones from the ETSI de Telecomunicación of the Universidad Politécnica de Madrid. For decades, the implementation of electronically steerable phased array antennas was confined to the military area. Their high cost and complexity were the major obstacles to introduce this technology in large scale commercial applications. The recent emergence of new practical, low-cost, and highly reliable solid state devices; breaks the barrier of cost and reduces the complexity, making active phased arrays a viable future option. Thus, phased array antennas could be the crown jewel that allow to meet the future challenges in military and civilian communication systems. Now is time to deploy low-cost phased array antennas, where newly commercial components form the core of the architecture. Therefore, the study and implementation of these novel low-cost and highly efficient solid state phased array blocks capable of controlling signal phase/amplitude accurately is one of the great challenges of our time. This thesis faces this challenge, proposing innovative electronic beam steering networks and transmitter/ receiver (T/R) modules using affordable solid state components, which could integrate fair reconfigurable phased array antennas working in L and S bands. In the first part of the thesis, a description of the state of art of phased array antennas, including their fundamentals and their competitive advantages, is presented. Since thesis contributions have been carried out for different research projects, where antennas with single/double circular polarization and single/double working frequency bands have been examined, frameworks of the two more important projects are detailed: the Space Situational Awareness (SSA) programme from the European Space Agency (ESA), and the GEOdesic Dome Array (GEODA) project from ISDEFE-INSA and the ESA. Undoubtedly, phase shifter devices are one of the key components of phased array antennas. Recent years have witnessed wide fluctuations in commercial phase shifter prices, which sometimes led to unaffordable limit. Several RF steering technique alternatives to the commercial phase shifters are proposed, summarized, and compared: the switched line phase shifter, the switched-beam network, and the novel phase shifter power splitter/combiner network. In order to show a practical use of the three different techniques, the five element GEODA-SARAS subarray is proposed as a real case of study. Finally, a practical study of a newly phase shifter power splitter/combiner network for a subarray of five radiating elements with triangular distribution is shown. Measurements of the two different phase shifter power splitter/combiner prototypes integrating the whole network are also depicted, demonstrating their proper performance. A triangular cell of three radiating elements is the simplest way to obtain a planar scanner. A new multibeam network configuration that provides three orthogonal beams in a desired _0 elevation angle and an extra one in the broadside steering direction for a triangular array of three radiating elements is introduced. Firstly, a short introduction to the state of art of classical multi-beam networks is presented. Lossless network analysis, including original lossless network designs, are also commented. General dissipative network theory as well as applications for array antennas of three radiating elements are depicted. The proposed final basic multi-beam network are simulated, built and measured to the GEODA cell practical case. A combined network that provides six orthogonal beams in a desired _0 elevation angle and a double seventh one in the broadside direction by using two complementary proposed basic networks will be shown. Measurements of the whole system will be also depicted, verifying the expected behavior. GEODA-SARAS T/R module RF chains are not a trivial design. A thorough description of all the components compounding GEODA-SARAS T/R module RF chains is presented. After presenting the general specifications of the GEODA-SARAS antenna and its block diagrams; two main blocks of the RF chains, the five element cell and the panel conversion module, are depicted and analyzed. Calibration module integrated within the two main blocks are also depicted. Signal flow throw the system analyzing critical situations such as maximum transmitted power (testing the chain unsaturation), minimum and maximum receiving signal (verifying sensitivity range), maximum receiver interference signals (assuring a proper reception), and G/T factor (fulfilling the technical specification) are evaluated. Phase quantization error effects are also listed. Finally, the manuscript contains the conclusions drawn of the present research and the future work.

Monte Carlo limit cycle characterization

The fixed point implementation of IIR digital filters usually leads to the appearance of zero-input limit cycles, which degrade the performance of the system. In this paper, we develop an efficient Monte Carlo algorithm to detect and characterize limit cycles in fixed-point IIR digital filters. The proposed approach considers filters formulated in the state space and is valid for any fixed point representation and quantization function. Numerical simulations on several high-order filters, where an exhaustive search is unfeasible, show the effectiveness of the proposed approach.

Image enhancement with MatLab algorithms

Nowadays, a lot of applications use digital images. For example in face recognition to detect and tag persons in photograph, for security control, and a lot of applications that can be found in smart cities, as speed control in roads or highways and cameras in traffic lights to detect drivers ignoring red light. Also in medicine digital images are used, such as x-ray, scanners, etc. These applications depend on the quality of the image obtained. A good camera is expensive, and the image obtained depends also on external factor as light. To make these applications work properly, image enhancement is as important as, for example, a good face detection algorithm. Image enhancement also can be used in normal photograph, for pictures done in bad light conditions, or just to improve the contrast of an image. There are some applications for smartphones that allow users apply filters or change the bright, colour or contrast on the pictures. This project compares four different techniques to use in image enhancement. After applying one of these techniques to an image, it will use better the whole available dynamic range. Some of the algorithms are designed for grey scale images and others for colour images. It is used Matlab software to develop and present the final results. These algorithms are Successive Means Quantization Transform (SMQT), Histogram Equalization, using Matlab function and own implemented function, and V transform. Finally, as conclusions, we can prove that Histogram equalization algorithm is the simplest of all, it has a wide variability of grey levels and it is not suitable for colour images. V transform algorithm is a good option for colour images. The algorithm is linear and requires low computational power. SMQT algorithm is non-linear, insensitive to gain and bias and it can extract structure of the data. RESUMEN. Hoy en día incontable número de aplicaciones usan imágenes digitales. Por ejemplo, para el control de la seguridad se usa el reconocimiento de rostros para detectar y etiquetar personas en fotografías o vídeos, para distintos usos de las ciudades inteligentes, como control de velocidad en carreteras o autopistas, cámaras en los semáforos para detectar a conductores haciendo caso omiso de un semáforo en rojo, etc. También en la medicina se utilizan imágenes digitales, como por ejemplo, rayos X, escáneres, etc. Todas estas aplicaciones dependen de la calidad de la imagen obtenida. Una buena cámara es cara, y la imagen obtenida depende también de factores externos como la luz. Para hacer que estas aplicaciones funciones correctamente, el tratamiento de imagen es tan importante como, por ejemplo, un buen algoritmo de detección de rostros. La mejora de la imagen también se puede utilizar en la fotografía no profesional o de consumo, para las fotos realizadas en malas condiciones de luz, o simplemente para mejorar el contraste de una imagen. Existen aplicaciones para teléfonos móviles que permiten a los usuarios aplicar filtros y cambiar el brillo, el color o el contraste en las imágenes. Este proyecto compara cuatro técnicas diferentes para utilizar el tratamiento de imagen. Se utiliza la herramienta de software matemático Matlab para desarrollar y presentar los resultados finales. Estos algoritmos son Successive Means Quantization Transform (SMQT), Ecualización del histograma, usando la propia función de Matlab y una nueva función que se desarrolla en este proyecto y, por último, una función de transformada V. Finalmente, como conclusión, podemos comprobar que el algoritmo de Ecualización del histograma es el más simple de todos, tiene una amplia variabilidad de niveles de gris y no es adecuado para imágenes en color. El algoritmo de transformada V es una buena opción para imágenes en color, es lineal y requiere baja potencia de cálculo. El algoritmo SMQT no es lineal, insensible a la ganancia y polarización y, gracias a él, se puede extraer la estructura de los datos.