Diseño de algoritmos de guerra electrónica y radar para su implementación en sistemas de tiempo real

Esta tesis se centra en el estudio y desarrollo de algoritmos de guerra electrónica {electronic warfare, EW) y radar para su implementación en sistemas de tiempo real. La llegada de los sistemas de radio, radar y navegación al terreno militar llevó al desarrollo de tecnologías para combatirlos. Así, el objetivo de los sistemas de guerra electrónica es el control del espectro electomagnético. Una de la funciones de la guerra electrónica es la inteligencia de señales {signals intelligence, SIGINT), cuya labor es detectar, almacenar, analizar, clasificar y localizar la procedencia de todo tipo de señales presentes en el espectro. El subsistema de inteligencia de señales dedicado a las señales radar es la inteligencia electrónica {electronic intelligence, ELINT). Un sistema de tiempo real es aquel cuyo factor de mérito depende tanto del resultado proporcionado como del tiempo en que se da dicho resultado. Los sistemas radar y de guerra electrónica tienen que proporcionar información lo más rápido posible y de forma continua, por lo que pueden encuadrarse dentro de los sistemas de tiempo real. La introducción de restricciones de tiempo real implica un proceso de realimentación entre el diseño del algoritmo y su implementación en plataformas “hardware”. Las restricciones de tiempo real son dos: latencia y área de la implementación. En esta tesis, todos los algoritmos presentados se han implementado en plataformas del tipo field programmable gate array (FPGA), ya que presentan un buen compromiso entre velocidad, coste total, consumo y reconfigurabilidad. La primera parte de la tesis está centrada en el estudio de diferentes subsistemas de un equipo ELINT: detección de señales mediante un detector canalizado, extracción de los parámetros de pulsos radar, clasificación de modulaciones y localization pasiva. La transformada discreta de Fourier {discrete Fourier transform, DFT) es un detector y estimador de frecuencia quasi-óptimo para señales de banda estrecha en presencia de ruido blanco. El desarrollo de algoritmos eficientes para el cálculo de la DFT, conocidos como fast Fourier transform (FFT), han situado a la FFT como el algoritmo más utilizado para la detección de señales de banda estrecha con requisitos de tiempo real. Así, se ha diseñado e implementado un algoritmo de detección y análisis espectral para su implementación en tiempo real. Los parámetros más característicos de un pulso radar son su tiempo de llegada y anchura de pulso. Se ha diseñado e implementado un algoritmo capaz de extraer dichos parámetros. Este algoritmo se puede utilizar con varios propósitos: realizar un reconocimiento genérico del radar que transmite dicha señal, localizar la posición de dicho radar o bien puede utilizarse como la parte de preprocesado de un clasificador automático de modulaciones. La clasificación automática de modulaciones es extremadamente complicada en entornos no cooperativos. Un clasificador automático de modulaciones se divide en dos partes: preprocesado y el algoritmo de clasificación. Los algoritmos de clasificación basados en parámetros representativos calculan diferentes estadísticos de la señal de entrada y la clasifican procesando dichos estadísticos. Los algoritmos de localization pueden dividirse en dos tipos: triangulación y sistemas cuadráticos. En los algoritmos basados en triangulación, la posición se estima mediante la intersección de las rectas proporcionadas por la dirección de llegada de la señal. En cambio, en los sistemas cuadráticos, la posición se estima mediante la intersección de superficies con igual diferencia en el tiempo de llegada (time difference of arrival, TDOA) o diferencia en la frecuencia de llegada (frequency difference of arrival, FDOA). Aunque sólo se ha implementado la estimación del TDOA y FDOA mediante la diferencia de tiempos de llegada y diferencia de frecuencias, se presentan estudios exhaustivos sobre los diferentes algoritmos para la estimación del TDOA, FDOA y localización pasiva mediante TDOA-FDOA. La segunda parte de la tesis está dedicada al diseño e implementación filtros discretos de respuesta finita (finite impulse response, FIR) para dos aplicaciones radar: phased array de banda ancha mediante filtros retardadores (true-time delay, TTD) y la mejora del alcance de un radar sin modificar el “hardware” existente para que la solución sea de bajo coste. La operación de un phased array de banda ancha mediante desfasadores no es factible ya que el retardo temporal no puede aproximarse mediante un desfase. La solución adoptada e implementada consiste en sustituir los desfasadores por filtros digitales con retardo programable. El máximo alcance de un radar depende de la relación señal a ruido promedio en el receptor. La relación señal a ruido depende a su vez de la energía de señal transmitida, potencia multiplicado por la anchura de pulso. Cualquier cambio hardware que se realice conlleva un alto coste. La solución que se propone es utilizar una técnica de compresión de pulsos, consistente en introducir una modulación interna a la señal, desacoplando alcance y resolución. ABSTRACT This thesis is focused on the study and development of electronic warfare (EW) and radar algorithms for real-time implementation. The arrival of radar, radio and navigation systems to the military sphere led to the development of technologies to fight them. Therefore, the objective of EW systems is the control of the electromagnetic spectrum. Signals Intelligence (SIGINT) is one of the EW functions, whose mission is to detect, collect, analyze, classify and locate all kind of electromagnetic emissions. Electronic intelligence (ELINT) is the SIGINT subsystem that is devoted to radar signals. A real-time system is the one whose correctness depends not only on the provided result but also on the time in which this result is obtained. Radar and EW systems must provide information as fast as possible on a continuous basis and they can be defined as real-time systems. The introduction of real-time constraints implies a feedback process between the design of the algorithms and their hardware implementation. Moreover, a real-time constraint consists of two parameters: Latency and area of the implementation. All the algorithms in this thesis have been implemented on field programmable gate array (FPGAs) platforms, presenting a trade-off among performance, cost, power consumption and reconfigurability. The first part of the thesis is related to the study of different key subsystems of an ELINT equipment: Signal detection with channelized receivers, pulse parameter extraction, modulation classification for radar signals and passive location algorithms. The discrete Fourier transform (DFT) is a nearly optimal detector and frequency estimator for narrow-band signals buried in white noise. The introduction of fast algorithms to calculate the DFT, known as FFT, reduces the complexity and the processing time of the DFT computation. These properties have placed the FFT as one the most conventional methods for narrow-band signal detection for real-time applications. An algorithm for real-time spectral analysis for user-defined bandwidth, instantaneous dynamic range and resolution is presented. The most characteristic parameters of a pulsed signal are its time of arrival (TOA) and the pulse width (PW). The estimation of these basic parameters is a fundamental task in an ELINT equipment. A basic pulse parameter extractor (PPE) that is able to estimate all these parameters is designed and implemented. The PPE may be useful to perform a generic radar recognition process, perform an emitter location technique and can be used as the preprocessing part of an automatic modulation classifier (AMC). Modulation classification is a difficult task in a non-cooperative environment. An AMC consists of two parts: Signal preprocessing and the classification algorithm itself. Featurebased algorithms obtain different characteristics or features of the input signals. Once these features are extracted, the classification is carried out by processing these features. A feature based-AMC for pulsed radar signals with real-time requirements is studied, designed and implemented. Emitter passive location techniques can be divided into two classes: Triangulation systems, in which the emitter location is estimated with the intersection of the different lines of bearing created from the estimated directions of arrival, and quadratic position-fixing systems, in which the position is estimated through the intersection of iso-time difference of arrival (TDOA) or iso-frequency difference of arrival (FDOA) quadratic surfaces. Although TDOA and FDOA are only implemented with time of arrival and frequency differences, different algorithms for TDOA, FDOA and position estimation are studied and analyzed. The second part is dedicated to FIR filter design and implementation for two different radar applications: Wideband phased arrays with true-time delay (TTD) filters and the range improvement of an operative radar with no hardware changes to minimize costs. Wideband operation of phased arrays is unfeasible because time delays cannot be approximated by phase shifts. The presented solution is based on the substitution of the phase shifters by FIR discrete delay filters. The maximum range of a radar depends on the averaged signal to noise ratio (SNR) at the receiver. Among other factors, the SNR depends on the transmitted signal energy that is power times pulse width. Any possible hardware change implies high costs. The proposed solution lies in the use of a signal processing technique known as pulse compression, which consists of introducing an internal modulation within the pulse width, decoupling range and resolution.

Glucose-Insulin regulator for type 1 diabetes using high order neural networks

In this paper a Glucose-Insulin regulator for Type 1 Diabetes using artificial neural networks (ANN) is proposed. This is done using a discrete recurrent high order neural network in order to identify and control a nonlinear dynamical system which represents the pancreas? beta-cells behavior of a virtual patient. The ANN which reproduces and identifies the dynamical behavior system, is configured as series parallel and trained on line using the extended Kalman filter algorithm to achieve a quickly convergence identification in silico. The control objective is to regulate the glucose-insulin level under different glucose inputs and is based on a nonlinear neural block control law. A safety block is included between the control output signal and the virtual patient with type 1 diabetes mellitus. Simulations include a period of three days. Simulation results are compared during the overnight fasting period in Open-Loop (OL) versus Closed- Loop (CL). Tests in Semi-Closed-Loop (SCL) are made feedforward in order to give information to the control algorithm. We conclude the controller is able to drive the glucose to target in overnight periods and the feedforward is necessary to control the postprandial period.

Transferencia inalámbrica de energía

El trabajo presentado en este documento se centra en la temática de la transferencia inalámbrica de energía, concretamente en aplicaciones de campo lejano, para llevar a cabo dicho trabajo nos centraremos en el diseño, implementación y medición de una rectenna operando en la banda ISM concretamente a una frecuencia de 2.45GHz, el objetivo primordial de este trabajo será analizar que parámetros intervienen en la eficiencia de conversión en la etapa de RF-DC a fin de lograr la máxima eficiencia de conversión posible. Para llevar a cabo dicho análisis se emplearán herramientas informáticas, concretamente se hará uso del software AWR Microwave Office, a través del cual se realizarán simulaciones SourcePull a fin de determinar la impedancia óptima de entrada que se le debe presentar a la etapa rectificadora RF-DC para conseguir la máxima eficiencia de conversión, una vez realizadas dichas pruebas se implementará físicamente un circuito rectenna a través del cual realizar medidas de SourcePull mediante un Wide Matching Range Slide Screw Tuner de MAURY MICROWAVE para cotejar las posibles diferencias con los resultados obtenidos en las simulaciones. Tras la fase de pruebas SourcePull se extrapolará una red de entrada en base a los datos obtenidos en las mediciones anteriores y se diseñará y fabricará un circuito rectenna con máxima eficiencia de conversión para un conjunto de valores de potencia de entrada de RF y carga de DC, tras lo cual se analizará la eficiencia del circuito diseñado para diferentes valores de potencia de RF de entrada y carga de DC. Como elemento rectificador emplearemos en nuestro trabajo el diodo Schottky HSMS-2820, los diodos Schottky se caracterizan por tener tiempos de conmutación relativamente bajos y pérdidas en directa reducidas los cual será fundamental a la hora de trabajar con niveles reducidos de potencia de RF de entrada, para implementar el circuito se empleará un substrato FR4 con espesor de 0.8mm para disminuir en la mayor medida posible las pérdidas introducidas por el dieléctrico, se analizarán diferentes posibilidades a la hora de implementar el filtro de RF a la salida del diodo rectificador y finalmente se optará por el empleo de un stub radial ya que será este el que mejor ancho de banda nos proporcione. Los resultados simulados se compararán con los resultados medidos sobre el circuito rectenna para determinar la similitud entre ambos. ABSTRACT. The work presented in this paper focuses on the issue of wireless transfer of energy, particularly applied to far-field applications, to carry out this work we focus on the design, implementation and measurement of a rectenna operating in the ISM band specifically at a frequency of 2.45GHz, the primary objective of this study is to analyze any parameter involved in the RF-DC conversion efficiency in order to achieve the maximum conversion efficiency as possible. Computer analysis tools will be used, particularly AWR Microwave Office software, in order to carry out SourcePull simulations to determine the optimal input impedance which must be presented to the rectifier stage for maximum conversion efficiency, once obtained, a rectenna circuit will be implemented to compute SourcePull measurements, and finally simulated results will be compared to measured results. Once obtained the result, an input network impedance is extrapolated based on data from previous measurements to design and implement a rectenna circuit with high conversion efficiency for a set of RF input power and DC load values , after that, the designed circuit efficiency will be analyzed for different values of RF input power and DC load. In this work a HSMS-2820 Schottky diode will be used as the rectifier , Schottky diodes are characterized by relatively low switching times and reduced direct losses, that properties will be essential when working with low RF input power levels , to implement the circuit a FR4 substrate with 0.8mm thickness is used to reduce as much as possible the dielectric losses, different possibilities to implement the RF filter to the output of the rectifier diode will be analyzed, finally we will opt for the use of a radial stub as this will provide the best bandwidth possible. The simulated results are compared with the results measured on the rectenna circuit to determine the similarity between them.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

Cancelación activa del ruido utilizando el KIT TMS320C5515 EZDSP

El control, o cancelación activa de ruido, consiste en la atenuación del ruido presente en un entorno acústico mediante la emisión de una señal igual y en oposición de fase al ruido que se desea atenuar. La suma de ambas señales en el medio acústico produce una cancelación mutua, de forma que el nivel de ruido resultante es mucho menor al inicial. El funcionamiento de estos sistemas se basa en los principios de comportamiento de los fenómenos ondulatorios descubiertos por Augustin-Jean Fresnel, Christiaan Huygens y Thomas Young entre otros. Desde la década de 1930, se han desarrollado prototipos de sistemas de control activo de ruido, aunque estas primeras ideas eran irrealizables en la práctica o requerían de ajustes manuales cada poco tiempo que hacían inviable su uso. En la década de 1970, el investigador estadounidense Bernard Widrow desarrolla la teoría de procesado adaptativo de señales y el algoritmo de mínimos cuadrados LMS. De este modo, es posible implementar filtros digitales cuya respuesta se adapte de forma dinámica a las condiciones variables del entorno. Con la aparición de los procesadores digitales de señal en la década de 1980 y su evolución posterior, se abre la puerta para el desarrollo de sistemas de cancelación activa de ruido basados en procesado de señal digital adaptativo. Hoy en día, existen sistemas de control activo de ruido implementados en automóviles, aviones, auriculares o racks de equipamiento profesional. El control activo de ruido se basa en el algoritmo fxlms, una versión modificada del algoritmo LMS de filtrado adaptativo que permite compensar la respuesta acústica del entorno. De este modo, se puede filtrar una señal de referencia de ruido de forma dinámica para emitir la señal adecuada que produzca la cancelación. Como el espacio de cancelación acústica está limitado a unas dimensiones de la décima parte de la longitud de onda, sólo es viable la reducción de ruido en baja frecuencia. Generalmente se acepta que el límite está en torno a 500 Hz. En frecuencias medias y altas deben emplearse métodos pasivos de acondicionamiento y aislamiento, que ofrecen muy buenos resultados. Este proyecto tiene como objetivo el desarrollo de un sistema de cancelación activa de ruidos de carácter periódico, empleando para ello electrónica de consumo y un kit de desarrollo DSP basado en un procesador de muy bajo coste. Se han desarrollado una serie de módulos de código para el DSP escritos en lenguaje C, que realizan el procesado de señal adecuado a la referencia de ruido. Esta señal procesada, una vez emitida, produce la cancelación acústica. Empleando el código implementado, se han realizado pruebas que generan la señal de ruido que se desea eliminar dentro del propio DSP. Esta señal se emite mediante un altavoz que simula la fuente de ruido a cancelar, y mediante otro altavoz se emite una versión filtrada de la misma empleando el algoritmo fxlms. Se han realizado pruebas con distintas versiones del algoritmo, y se han obtenido atenuaciones de entre 20 y 35 dB medidas en márgenes de frecuencia estrechos alrededor de la frecuencia del generador, y de entre 8 y 15 dB medidas en banda ancha. ABSTRACT. Active noise control consists on attenuating the noise in an acoustic environment by emitting a signal equal but phase opposed to the undesired noise. The sum of both signals results in mutual cancellation, so that the residual noise is much lower than the original. The operation of these systems is based on the behavior principles of wave phenomena discovered by Augustin-Jean Fresnel, Christiaan Huygens and Thomas Young. Since the 1930’s, active noise control system prototypes have been developed, though these first ideas were practically unrealizable or required manual adjustments very often, therefore they were unusable. In the 1970’s, American researcher Bernard Widrow develops the adaptive signal processing theory and the Least Mean Squares algorithm (LMS). Thereby, implementing digital filters whose response adapts dynamically to the variable environment conditions, becomes possible. With the emergence of digital signal processors in the 1980’s and their later evolution, active noise cancellation systems based on adaptive signal processing are attained. Nowadays active noise control systems have been successfully implemented on automobiles, planes, headphones or racks for professional equipment. Active noise control is based on the fxlms algorithm, which is actually a modified version of the LMS adaptive filtering algorithm that allows compensation for the acoustic response of the environment. Therefore it is possible to dynamically filter a noise reference signal to obtain the appropriate cancelling signal. As the noise cancellation space is limited to approximately one tenth of the wavelength, noise attenuation is only viable for low frequencies. It is commonly accepted the limit of 500 Hz. For mid and high frequencies, conditioning and isolating passive techniques must be used, as they produce very good results. The objective of this project is to develop a noise cancellation system for periodic noise, by using consumer electronics and a DSP development kit based on a very-low-cost processor. Several C coded modules have been developed for the DSP, implementing the appropriate signal processing to the noise reference. This processed signal, once emitted, results in noise cancellation. The developed code has been tested by generating the undesired noise signal in the DSP. This signal is emitted through a speaker simulating the noise source to be removed, and another speaker emits an fxlms filtered version of the same signal. Several versions of the algorithm have been tested, obtaining attenuation levels around 20 – 35 dB measured in a tight bandwidth around the generator frequency, or around 8 – 15 dB measured in broadband.

Parallel Computer Vision Algorithms for Graphics Processing Units

La evolución de los teléfonos móviles inteligentes, dotados de cámaras digitales, está provocando una creciente demanda de aplicaciones cada vez más complejas que necesitan algoritmos de visión artificial en tiempo real; puesto que el tamaño de las señales de vídeo no hace sino aumentar y en cambio el rendimiento de los procesadores de un solo núcleo se ha estancado, los nuevos algoritmos que se diseñen para visión artificial han de ser paralelos para poder ejecutarse en múltiples procesadores y ser computacionalmente escalables. Una de las clases de procesadores más interesantes en la actualidad se encuentra en las tarjetas gráficas (GPU), que son dispositivos que ofrecen un alto grado de paralelismo, un excelente rendimiento numérico y una creciente versatilidad, lo que los hace interesantes para llevar a cabo computación científica. En esta tesis se exploran dos aplicaciones de visión artificial que revisten una gran complejidad computacional y no pueden ser ejecutadas en tiempo real empleando procesadores tradicionales. En cambio, como se demuestra en esta tesis, la paralelización de las distintas subtareas y su implementación sobre una GPU arrojan los resultados deseados de ejecución con tasas de refresco interactivas. Asimismo, se propone una técnica para la evaluación rápida de funciones de complejidad arbitraria especialmente indicada para su uso en una GPU. En primer lugar se estudia la aplicación de técnicas de síntesis de imágenes virtuales a partir de únicamente dos cámaras lejanas y no paralelas—en contraste con la configuración habitual en TV 3D de cámaras cercanas y paralelas—con información de color y profundidad. Empleando filtros de mediana modificados para la elaboración de un mapa de profundidad virtual y proyecciones inversas, se comprueba que estas técnicas son adecuadas para una libre elección del punto de vista. Además, se demuestra que la codificación de la información de profundidad con respecto a un sistema de referencia global es sumamente perjudicial y debería ser evitada. Por otro lado se propone un sistema de detección de objetos móviles basado en técnicas de estimación de densidad con funciones locales. Este tipo de técnicas es muy adecuada para el modelado de escenas complejas con fondos multimodales, pero ha recibido poco uso debido a su gran complejidad computacional. El sistema propuesto, implementado en tiempo real sobre una GPU, incluye propuestas para la estimación dinámica de los anchos de banda de las funciones locales, actualización selectiva del modelo de fondo, actualización de la posición de las muestras de referencia del modelo de primer plano empleando un filtro de partículas multirregión y selección automática de regiones de interés para reducir el coste computacional. Los resultados, evaluados sobre diversas bases de datos y comparados con otros algoritmos del estado del arte, demuestran la gran versatilidad y calidad de la propuesta. Finalmente se propone un método para la aproximación de funciones arbitrarias empleando funciones continuas lineales a tramos, especialmente indicada para su implementación en una GPU mediante el uso de las unidades de filtraje de texturas, normalmente no utilizadas para cómputo numérico. La propuesta incluye un riguroso análisis matemático del error cometido en la aproximación en función del número de muestras empleadas, así como un método para la obtención de una partición cuasióptima del dominio de la función para minimizar el error. ABSTRACT The evolution of smartphones, all equipped with digital cameras, is driving a growing demand for ever more complex applications that need to rely on real-time computer vision algorithms. However, video signals are only increasing in size, whereas the performance of single-core processors has somewhat stagnated in the past few years. Consequently, new computer vision algorithms will need to be parallel to run on multiple processors and be computationally scalable. One of the most promising classes of processors nowadays can be found in graphics processing units (GPU). These are devices offering a high parallelism degree, excellent numerical performance and increasing versatility, which makes them interesting to run scientific computations. In this thesis, we explore two computer vision applications with a high computational complexity that precludes them from running in real time on traditional uniprocessors. However, we show that by parallelizing subtasks and implementing them on a GPU, both applications attain their goals of running at interactive frame rates. In addition, we propose a technique for fast evaluation of arbitrarily complex functions, specially designed for GPU implementation. First, we explore the application of depth-image–based rendering techniques to the unusual configuration of two convergent, wide baseline cameras, in contrast to the usual configuration used in 3D TV, which are narrow baseline, parallel cameras. By using a backward mapping approach with a depth inpainting scheme based on median filters, we show that these techniques are adequate for free viewpoint video applications. In addition, we show that referring depth information to a global reference system is ill-advised and should be avoided. Then, we propose a background subtraction system based on kernel density estimation techniques. These techniques are very adequate for modelling complex scenes featuring multimodal backgrounds, but have not been so popular due to their huge computational and memory complexity. The proposed system, implemented in real time on a GPU, features novel proposals for dynamic kernel bandwidth estimation for the background model, selective update of the background model, update of the position of reference samples of the foreground model using a multi-region particle filter, and automatic selection of regions of interest to reduce computational cost. The results, evaluated on several databases and compared to other state-of-the-art algorithms, demonstrate the high quality and versatility of our proposal. Finally, we propose a general method for the approximation of arbitrarily complex functions using continuous piecewise linear functions, specially formulated for GPU implementation by leveraging their texture filtering units, normally unused for numerical computation. Our proposal features a rigorous mathematical analysis of the approximation error in function of the number of samples, as well as a method to obtain a suboptimal partition of the domain of the function to minimize approximation error.

Aerodynamic database error filtering via high order singular value decomposition

Esta Tesis presenta un nuevo método para filtrar errores en bases de datos multidimensionales. Este método no precisa ninguna información a priori sobre la naturaleza de los errores. En concreto, los errrores no deben ser necesariamente pequeños, ni de distribución aleatoria ni tener media cero. El único requerimiento es que no estén correlados con la información limpia propia de la base de datos. Este nuevo método se basa en una extensión mejorada del método básico de reconstrucción de huecos (capaz de reconstruir la información que falta de una base de datos multidimensional en posiciones conocidas) inventado por Everson y Sirovich (1995). El método de reconstrucción de huecos mejorado ha evolucionado como un método de filtrado de errores de dos pasos: en primer lugar, (a) identifica las posiciones en la base de datos afectadas por los errores y después, (b) reconstruye la información en dichas posiciones tratando la información de éstas como información desconocida. El método resultante filtra errores O(1) de forma eficiente, tanto si son errores aleatorios como sistemáticos e incluso si su distribución en la base de datos está concentrada o esparcida por ella. Primero, se ilustra el funcionamiento delmétodo con una base de datosmodelo bidimensional, que resulta de la dicretización de una función transcendental. Posteriormente, se presentan algunos casos prácticos de aplicación del método a dos bases de datos tridimensionales aerodinámicas que contienen la distribución de presiones sobre un ala a varios ángulos de ataque. Estas bases de datos resultan de modelos numéricos calculados en CFD. ABSTRACT A method is presented to filter errors out in multidimensional databases. The method does not require any a priori information about the nature the errors. In particular, the errors need not to be small, neither random, nor exhibit zero mean. Instead, they are only required to be relatively uncorrelated to the clean information contained in the database. The method is based on an improved extension of a seminal iterative gappy reconstruction method (able to reconstruct lost information at known positions in the database) due to Everson and Sirovich (1995). The improved gappy reconstruction method is evolved as an error filtering method in two steps, since it is adapted to first (a) identify the error locations in the database and then (b) reconstruct the information in these locations by treating the associated data as gappy data. The resultingmethod filters out O(1) errors in an efficient fashion, both when these are random and when they are systematic, and also both when they concentrated and when they are spread along the database. The performance of the method is first illustrated using a two-dimensional toymodel database resulting fromdiscretizing a transcendental function and then tested on two CFD-calculated, three-dimensional aerodynamic databases containing the pressure coefficient on the surface of a wing for varying values of the angle of attack. A more general performance analysis of the method is presented with the intention of quantifying the randomness factor the method admits maintaining a correct performance and secondly, quantifying the size of error the method can detect. Lastly, some improvements of the method are proposed with their respective verification.

An automated multiplex oligonucleotide synthesizer: development of high-throughput, low-cost DNA synthesis.

An automated oligonucleotide synthesizer has been developed that can simultaneously and rapidly synthesize up to 96 different oligonucleotides in a 96-well microtiter format using phosphoramidite synthesis chemistry. A modified 96-well plate is positioned under reagent valve banks, and appropriate reagents are delivered into individual wells containing the growing oligonucleotide chain, which is bound to a solid support. Each well has a filter bottom that enables the removal of spent reagents while retaining the solid support matrix. A seal design is employed to control synthesis environment and the entire instrument is automated via computer control. Synthesis cycle times for 96 couplings are < 11 min, allowing a plate of 96 20-mers to be synthesized in < 5 hr. Oligonucleotide synthesis quality is comparable to commercial machines, with average coupling efficiencies routinely > 98% across the entire 96-well plate. No significant well-to-well variations in synthesis quality have been observed in > 6000 oligonucleotides synthesized to date. The reduced reagent usage and increased capacity allow the overall synthesis cost to drop by at least a factor of 10. With the development of this instrument, it is now practical and cost-effective to synthesize thousands to tens of thousands of oligonucleotides.

Efficient high-resolution genetic mapping of mouse interspersed repetitive sequence PCR products, toward integrated genetic and physical mapping of the mouse genome.

The ability to carry out high-resolution genetic mapping at high throughput in the mouse is a critical rate-limiting step in the generation of genetically anchored contigs in physical mapping projects and the mapping of genetic loci for complex traits. To address this need, we have developed an efficient, high-resolution, large-scale genome mapping system. This system is based on the identification of polymorphic DNA sites between mouse strains by using interspersed repetitive sequence (IRS) PCR. Individual cloned IRS PCR products are hybridized to a DNA array of IRS PCR products derived from the DNA of individual mice segregating DNA sequences from the two parent strains. Since gel electrophoresis is not required, large numbers of samples can be genotyped in parallel. By using this approach, we have mapped > 450 polymorphic probes with filters containing the DNA of up to 517 backcross mice, potentially allowing resolution of 0.14 centimorgan. This approach also carries the potential for a high degree of efficiency in the integration of physical and genetic maps, since pooled DNAs representing libraries of yeast artificial chromosomes or other physical representations of the mouse genome can be addressed by hybridization of filter representations of the IRS PCR products of such libraries.

DESIGN OF A MINIATURIZED SOP INTEGRATED GNSS RF FRONT-END MODULE

Navigation devices used to be bulky and expensive and were not widely commercialized for personal use. Nowadays, all useful electronic devices are turning into being handheld so that they can be conveniently used anytime and anywhere. One can claim that almost any mobile phone, used today, has quite strong navigational capabilities that can efficiently work anywhere in the globe. No matter where you are, you can easily know your exact location and make your way smoothly to wherever you would like to go. This couldn’t have been made possible without the existence of efficient and small microwave circuits responsible for the transmission and reception of high quality navigation signals. This thesis is mainly concerned with the design of novel highly miniaturized and efficient filtering components working in the Global Navigational Satellite Systems (GNSS) frequency band to be integrated within an efficient Radio Frequency (RF) front-end module (FEM). A System-on-Package (SoP) integration technique is adopted for the design of all the components in this thesis. Two novel miniaturized filters are designed, where one of them is a wideband filter targeting the complete GNSS band with a fractional bandwidth of almost 50% at a center frequency of 1.385 GHz. This filter utilizes a direct inductive coupling topology to achieve the required wide band performance. It also has very good out-of-band rejection and low IL. Whereas the other dual band filter will only cover the lower and upper GNSS bands with a rejection notch in between the two bands. It has very good inter band rejection. The well-known “divide and conquer” design methodology was applied for the design of this filter to help save valuable design and optimization time. Moreover, the performance of two commercially available ultra-Low Noise Amplifiers (LNAs) is studied. The complete RF FEM showed promising preliminary performance in terms of noise figure, gain and bandwidth, where it out performed other commercial front-ends in these three aspects. All the designed circuits are fabricated and tested. The measured results are found to be in good agreements with the simulations.

Settling velocity of sediments at high concentrations

New data on the settling velocity of artificial sediments and natural sands at high concentrations are presented. The data are compared with a widely used semiempirical Richardson and Zaki equation (Trans. Inst. Chem. Eng. 32 (1954) 35), which gives an accurate measure of the reduction in velocity as a function of concentration and an experimentally determined empirical power n. Here, a simple method of determining n is presented using standard equations for the clear water settling velocity and the seepage flow within fixed sediment beds. The resulting values for n are compared against values derived from new and existing laboratory data for beach and filter sands. For sands, the appropriate values of n are found to differ significantly from those suggested by Richardson and Zaki for spheres, and are typically larger, corresponding to a greater reduction in settling velocity at high concentrations. For fine and medium sands at concentrations of order 0.4, the hindered settling velocity reduces to about 70% of that expected using values of n derived for spheres. At concentrations of order 0.15, the hindered settling velocity reduces to less than half of the settling velocity in clear water. These reduced settling velocities have important implications for sediment transport modelling close to, and within, sheet flow layers and in the swash zone.

Rehabilitation after total knee replacement via low-bandwidth telemedicine: the patient and therapist experience

After a total knee replacement, inadequate rehabilitation is associated with poor physical outcomes and a reduced longevity of the knee prosthesis. We have developed a low-bandwidth telemedicine system to enable rehabilitation services to be delivered directly to the home of patients in rural and remote areas. We have examined the experience of clinical physiotherapists and of 31 participants who received treatment via the system. High levels of satisfaction were reported by participants (mean responses >7 on a 10 cm visual analogue scale). The service was found to be effective, safe and easy to use, and it integrated well into current clinical practice. The study demonstrates the potential for delivering physiotherapy services via low-bandwidth Internet connections.

The discriminative bilateral filter: An enhanced denoising filter for electron microscopy data

Advances in three-dimensional (313) electron microscopy (EM) and image processing are providing considerable improvements in the resolution of subcellular volumes, macromolecular assemblies and individual proteins. However, the recovery of high-frequency information from biological samples is hindered by specimen sensitivity to beam damage. Low dose electron cryo-microscopy conditions afford reduced beam damage but typically yield images with reduced contrast and low signal-to-noise ratios (SNRs). Here, we describe the properties of a new discriminative bilateral (DBL) filter that is based upon the bilateral filter implementation of Jiang et al. (Jiang, W., Baker, M.L., Wu, Q., Bajaj, C., Chin, W., 2003. Applications of a bilateral denoising filter in biological electron microscopy. J. Struc. Biol. 128, 82-97.). In contrast to the latter, the DBL filter can distinguish between object edges and high-frequency noise pixels through the use of an additional photometric exclusion function. As a result, high frequency noise pixels are smoothed, yet object edge detail is preserved. In the present study, we show that the DBL filter effectively reduces noise in low SNR single particle data as well as cellular tomograms of stained plastic sections. The properties of the DBL filter are discussed in terms of its usefulness for single particle analysis and for pre-processing cellular tomograms ahead of image segmentation. (c) 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.

Kinetic and hydraulic studies in high-rate biological filters

Most published work on either low- or high-rate biological filters covers one of three topics: kinetics, microbiology/ecology or hydraulics. These areas have been re-examined together for high-rate filters in order to further integrate them and enable appropriate utilization of low-rate filter experience.

Fibre-based devices for next generation photonics communication systems

The future broadband information network will undoubtedly integrate the mobility and flexibility of wireless access systems with the huge bandwidth capacity of photonics solutions to enable a communication system capable of handling the anticipated demand for interactive services. Towards wide coverage and low cost implementations of such broadband wireless photonics communication networks, various aspects of the enabling technologies are continuingly generating intense research interest. Among the core technologies, the optical generation and distribution of radio frequency signals over fibres, and the fibre optic signal processing of optical and radio frequency signals, have been the subjects for study in this thesis. Based on the intrinsic properties of single-mode optical fibres, and in conjunction with the concepts of optical fibre delay line filters and fibre Bragg gratings, a number of novel fibre-based devices, potentially suitable for applications in the future wireless photonics communication systems, have been realised. Special single-mode fibres, namely, the high birefringence (Hi-Bi) fibre and the Er/Yb doped fibre have been employed so as to exploit their merits to achieve practical and cost-effective all-fibre architectures. A number of fibre-based complex signal processors for optical and radio frequencies using novel Hi-Bi fibre delay line filter architectures have been illustrated. In particular, operations such as multichannel flattop bandpass filtering, simultaneous complementary outputs and bidirectional nonreciprocal wavelength interleaving, have been demonstrated. The proposed configurations featured greatly reduced environmental sensitivity typical of coherent fibre delay line filter schemes, reconfigurable transfer functions, negligible chromatic dispersions, and ease of implementation, not easily achievable based on other techniques. A number of unique fibre grating devices for signal filtering and fibre laser applications have been realised. The concept of the superimposed fibre Bragg gratings has been extended to non-uniform grating structures and into Hi-Bi fibres to achieve highly useful grating devices such as overwritten phase-shifted fibre grating structure and widely/narrowly spaced polarization-discriminating filters that are not limited by the intrinsic fibre properties. In terms of the-fibre-based optical millimetre wave transmitters, unique approaches based on fibre laser configurations have been proposed and demonstrated. The ability of the dual-mode distributed feedback (DFB) fibre lasers to generate high spectral purity, narrow linewidth heterodyne signals without complex feedback mechanisms has been illustrated. A novel co-located dual DFB fibre laser configuration, based on the proposed superimposed phase-shifted fibre grating structure, has been further realised with highly desired operation characteristics without the need for costly high frequency synthesizers and complex feedback controls. Lastly, a novel cavity mode condition monitoring and optimisation scheme for short length, linear-cavity fibre lasers has been proposed and achieved. Based on the concept and simplicity of the superimposed fibre laser cavities structure, in conjunction with feedback controls, enhanced output performances from the fibre lasers have been achieved. The importance of such cavity mode assessment and feedback control for optimised fibre laser output performance has been illustrated.