Receptor MIMO em FPGA baseado no esquema de Alamouti

A oferta de serviços baseados em comunicações sem fios tem vindo a crescer exponencialmente na última década. Cada vez mais são exigidas maiores taxas de transmissão assim como uma melhor QoS, sem comprometer a potência de transmissão ou argura de banda disponível. A tecnologia MIMO consegue oferecer um aumento da capacidade destes sistemas sem requerer aumento da largura de banda ou da potência transmitida. O trabalho desenvolvido nesta dissertação consistiu no estudo dos sistemas MIMO, caracterizados pela utilização de múltiplas antenas para transmitir e receber a informação. Com um sistema deste tipo consegue-se obter um ganho de diversidade espacial utilizando códigos espaço-temporais, que exploram simultaneamente o domínio espacial e o domínio do tempo. Nesta dissertação é dado especial ênfase à codificação por blocos no espaço-tempo de Alamouti, a qual será implementada em FPGA, nomeadamente a parte de recepção. Esta implementação é efectuada para uma configuração de antenas 2x1, utilizando vírgula flutuante e para três tipos de modulação: BPSK, QPSK e 16-QAM. Por fim será analisada a relação entre a precisão alcançada na representação numérica dos resultados e os recursos consumidos pela FPGA. Com a arquitectura adoptada conseguem se obter taxas de transferência na ordem dos 29,141 Msimb/s (sem pipelines) a 262,674 Msimb/s (com pipelines), para a modulação BPSK.

Estimativa do recurso associado a um parque eólico e solução ótima de integração do parque numa rede elétrica do sudeste brasileiro

Um dos objetivos da presente dissertação consiste em estimar o recurso eólico num determinado local com base em dados de velocidade e direção de vento de outro local. Para esta estimativa, é utilizado um método que faz a extrapolação dos dados de vento do local onde as medições de velocidade e direção de vento foram realizadas para o local onde se quer estimar o recurso eólico, permitindo assim fazer uma avaliação da potência disponível que se pode obter para uma dada configuração de turbinas eólicas e tendo em consideração fatores topográficos tais como a rugosidade, orografia da superfície e também obstáculos em redor. Este método foi aplicado usando a ferramenta computacional, Wind Atlas Analysis and Aplication Program (WAsP), de modo a avaliar a potência média de um parque eólico na região de Osório, Brasil. O outro objetivo desta dissertação consiste no estudo e definição da melhor ligação do referido parque eólico à rede elétrica local. Para o efeito e após modelização da rede elétrica foram identificados os reforços de rede necessários na zona que irá receber a nova potência do parque eólico. No estudo em causa foram avaliadas quatro alternativas de ligação do parque eólico à rede. A escolha da melhor alternativa de ligação foi efetuada tendo por base uma análise de relação entre benefício de perdas da rede e custos de reforço da rede local.

Distribuição de vídeo sobre uma rede IEEE 802.11n

A recente norma IEEE 802.11n oferece um elevado débito em redes locais sem fios sendo por isso esperado uma adopção massiva desta tecnologia substituindo progressivamente as redes 802.11b/g. Devido à sua elevada capacidade esta recente geração de redes sem fios 802.11n permite um crescimento acentuado de serviços audiovisuais. Neste contexto esta dissertação procura estudar a rede 802.11n, caracterizando o desempenho e a qualidade associada a um serviço de transmissão de vídeo, recorrendo para o efeito a uma arquitectura de simulação da rede 802.11n. Desta forma é caracterizado o impacto das novas funcionalidades da camada MAC introduzidas na norma 801.11n, como é o caso da agregação A-MSDU e A-MPDU, bem como o impacto das novas funcionalidades da camada física como é o caso do MIMO; em ambos os casos uma optimização da parametrização é realizada. Também se verifica que as principais técnicas de codificação de vídeo H.264/AVC para optimizar o processo de distribuição de vídeo, permitem optimizar o desempenho global do sistema de transmissão. Aliando a optimização e parametrização da camada MAC, da camada física, e do processo de codificação, é possível propor um conjunto de configurações que permitem obter o melhor desempenho na qualidade de serviço da transmissão de conteúdos de vídeo numa rede 802.11n. A arquitectura de simulação construída nesta dissertação é especificamente adaptada para suportar as técnicas de agregação da camada MAC, bem como para suportar o encapsulamento em protocolos de rede que permitem a transmissão dos pacotes de vídeo RTP, codificados em H.264/AVC.

Planeamento e optimização em redes celulares móveis auto-geridas assentes em LTE

O objectivo deste trabalho consiste em avaliar os benefícios das Self Organizing Networks (SON), no que concerne ao planeamento e optimização de redes Long Term Evolution (LTE), não só através do seu estudo, como também através do desenvolvimento e teste de algoritmos, que permitem avaliar o funcionamento de algumas das suas principais funções. O estudo efectuado sobre as SON permitiu identificar um conjunto de funções, tais como a atribuição automática de Physical Cell Id (PCI), o Automatic Neighbour Relation (ANR) e a optimização automática de parâmetros de handover, que permitem facilitar ou mesmo substituir algumas das tarefas mais comuns em planeamento e optimização de redes móveis celulares, em particular, redes LTE. Recorrendo a um simulador LTE destinado à investigação académica, em código aberto e desenvolvido em Matlab®, foi desenvolvido um conjunto de algoritmos que permitiram a implementação das funções em questão. Para além das funções implementadas, foram também introduzidas alterações que conferem a este simulador a capacidade de representar e simular redes reais, permitindo uma análise mais coerente dos algoritmos desenvolvidos. Os resultados obtidos, para além de evidenciarem claramente o benefício dos algoritmos desenvolvidos, foram ainda comparados com os obtidos pela ferramenta profissional de planeamento e optimização Atoll®, tendo-se verificado a franca proximidade de desempenho em algumas das funções. Finalmente, foi desenvolvida uma interface gráfica que permite o desenho, configuração e simulação de cenários, bem como a análise de resultados.

Implementação de WDM com dispositivos semicondutores

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

Desenvolvimento do sistema de tracção de um veículo eléctrico ecológico com travagem regenerativa

Nesta dissertação descreve-se uma metodologia de dimensionamento do sistema de tracção para equipar um veículo eléctrico ecológico (VEECO) com inclusão de um sistema de travagem regenerativa. Apresenta-se uma perspectiva geral de diversas topologias de sistemas de tracção utilizadas nos veículos eléctricos e realiza-se a sua comparação através do estudo e análise dos acionamentos electromecânicos que podem ser utilizados nesses sistemas de tracção eléctrica. Utilizando ferramentas de simulação numérica, estuda-se o modelo matemático de um veículo eléctrico com travagem regenerativa. A partir deste modelo matemático é adoptado uma possível configuração para o seu sistema de tracção eléctrica e são obtidas características teóricas de desempenho do veículo eléctrico, através da análise de testes padrão ao veículo. Em banco de ensaios, constrói-se um sistema de tracção eléctrica que permite a validação experimental do modelo matemático do veículo eléctrico. Para a construção deste banco de ensaios foram concebidos os sistemas de tracção eléctrica, de carga mecânica e de controlo e monitorização do banco de ensaios. A validação experimental realiza-se através dos mesmos testes padrão ao veículo eléctrico, como o teste NEDC (New European Driving Cycle), o teste de aceleração entre 0 e 100km/h e o teste de gradeabilidade. Desenvolve-se o dimensionamento do sistema de tracção eléctrica a equipar o VEECO, através da componente de modelação paramétrica do modelo matemático do veículo eléctrico. Com esta metodologia é adoptado um conjunto de variáveis paramétricas relacionadas com os elementos que constituem o sistema de tracção eléctrica do VEECO. Estuda-se a influência destas variáveis paramétricas nas características de desempenho pretendidas para o VEECO. Como resultado da análise de modelação paramétrica é apresentada uma solução para o sistema de tracção eléctrica do VEECO que cumpre a execução do NEDC, apresenta um tempo de aceleração entre 0 e 100km/h inferior a 10 segundos, supera uma gradeabilidade de 10% e uma autonomia de 200 km. O sistema de tracção do VEECO também permite realizar a travagem regenerativa com rendimento até 33%. Possui controlo de tracção e anti bloqueio da roda motora, através de uma unidade de controlo que permite reduzir a potência transmitida ao veio, quando a velocidade da roda de tracção difere do valor de referência da velocidade do veículo. Os conhecimentos adquiridos através do processo de investigação e desenvolvimento, para a realização da presente dissertação permitem apresentar perspectivas de desenvolvimento futuro com aplicação nos sistemas de tracção de veículos eléctricos rodoviários.

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

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

Enhanced short wavelength response in laser-scanned-photodiode image sensor using an a-SiC : H/a-Si : H tandem structure

We report in this paper the recent advances we obtained in optimizing a color image sensor based on the laser-scanned-photodiode (LSP) technique. A novel device structure based on a a-SiC:H/a-Si:H pin/pin tandem structure has been tested for a proper color separation process that takes advantage on the different filtering properties due to the different light penetration depth at different wavelengths a-SM and a-SiC:H. While the green and the red images give, in comparison with previous tested structures, a weak response, this structure shows a very good recognition of blue color under reverse bias, leaving a good margin for future device optimization in order to achieve a complete and satisfactory RGB image mapping. Experimental results about the spectral collection efficiency are presented and discussed from the point of view of the color sensor applications. The physics behind the device functioning is explained by recurring to a numerical simulation of the internal electrical configuration of the device.

Laser scanned photodiodes (LSP) for Image sensing

An optimized ZnO:Al/a-pin SixCl1-x:H/Al configuration for the laser scanned photodiode (LSP) imaging detector is proposed. The LSP utilizes light induced depletion layers as detector and a laser beam for readout. The effect of the sensing element structure, cell configuration and light source flux are investigated and correlated with the sensor output characteristics. Experimental data reveal that the large optical gap and the low conductivity of the doped a-SixC1-x:H layers are responsible by an induced inversion layer at the illuminated interfaces which blocks the carrier collection. These insulator-like layers act as MIS gates preventing image smearing. The physical background of the LSP is discussed.

Laser scanned photodiodes (LSPs) for image sensing

An optimized ZnO:Al/a-pin SixC1-x:H/Al configuration for the laser scanned photodiode (LSP) imaging detector is proposed and the read-out parameters improved. The effect of the sensing element structure, cell configuration and light source flux are investigated and correlated with the sensor output characteristics. Data reveals that for sensors with wide band gap doped layers an increase on the image signal optimized to the blue is achieved with a dynamic range of two orders of magnitude, a responsivity of 6 mA W-1 and a sensitivity of 17 muW cm(-2) at 530 nm. The main output characteristics such as image responsivity, resolution, linearity and dynamic range were analyzed under reverse, forward and short circuit modes. The results show that the sensor performance can be optimized in short circuit mode. A trade-off between the scan time and the required resolution is needed since the spot size limits the resolution due to the cross-talk between dark and illuminated regions leading to blurring effects.

Stacked pin Devices for Imaging Applications

In this paper we present results on the optimization of device architectures for colour and imaging applications, using a device with a TCO/pinpi'n/TCO configuration. The effect of the applied voltage on the color selectivity is discussed. Results show that the spectral response curves demonstrate rather good separation between the red, green and blue basic colors. Combining the information obtained under positive and negative applied bias a colour image is acquired without colour filters or pixel architecture. A low level image processing algorithm is used for the colour image reconstruction.

Transport properties in microcrystalline silicon solar cells under AM1.5 illumination analysed by two-dimensional numerical simulation

Microcrystalline silicon is a two-phase material. Its composition can be interpreted as a series of grains of crystalline silicon imbedded in an amorphous silicon tissue, with a high concentration of dangling bonds in the transition regions. In this paper, results for the transport properties of a mu c-Si:H p-i-n junction obtained by means of two-dimensional numerical simulation are reported. The role played by the boundary regions between the crystalline grains and the amorphous matrix is taken into account and these regions are treated similar to a heterojunction interface. The device is analysed under AM1.5 illumination and the paper outlines the influence of the local electric field at the grain boundary transition regions on the internal electric configuration of the device and on the transport mechanism within the mu c-Si:H intrinsic layer.

Modelling of n-stage Blumlein stacked lines for bipolar pulse generation

A Blumlein line is a particular Pulse Forming Line, PFL, configuration that allows the generation of high-voltage sub-microsecond square pulses, with the same voltage amplitude as the dc charging voltage, into a matching load. By stacking n Blumlein lines one can multiply in theory by n the input dc voltage charging amplitude. In order to understand the operating behavior of this electromagnetic system and to further optimize its operation it is fundamental to theoretically model it, that is to calculate the voltage amplitudes at each circuit point and the time instant that happens. In order to do this, one needs to define the reflection and transmission coefficients where impedance discontinuity occurs. The experimental results of a fast solid-state switch, which discharges a three stage Blumlein stack, will be compared with theoretical ones.

Filling and wetting transitions of nematic liquid crystals on sinusoidal substrates

Close to sinusoidal substrates, simple fluids may undergo a filling transition, in which the fluid passes from a dry to a filled state, where the interface remains unbent but bound to the substrate. Increasing the surface field, the interface unbinds and a wetting transition occurs. We show that this double-transition sequence may be strongly modified in the case of ordered fluids, such as nematic liquid crystals. Depending on the preferred orientation of the nematic molecules at the structured substrate and at the isotropic-nematic interface, the filling transition may not exist, and the fluid passes directly from a dry to a complete-wet state, with the interface far from the substrate. More interestingly, in other situations, the complete wetting transition may be prevented, and the fluid passes from a dry to a filled state, and remains in this configuration, with the interface always attached to the substrate, even for very large surface fields. Both transitions are observed only for a same substrate in a narrow range of amplitudes.

Membrane selectivity versus sensor response in hydrogenated amorphous silicon CHEMFETs using a semi-empirical model

Toxic amides, such as acrylamide, are potentially harmful to Human health, so there is great interest in the fabrication of compact and economical devices to measure their concentration in food products and effluents. The CHEmically Modified Field Effect Transistor (CHEMFET) based onamorphous silicon technology is a candidate for this type of application due to its low fabrication cost. In this article we have used a semi-empirical modelof the device to predict its performance in a solution of interfering ions. The actual semiconductor unit of the sensor was fabricated by the PECVD technique in the top gate configuration. The CHEMFET simulation was performed based on the experimental current voltage curves of the semiconductor unit and on an empirical model of the polymeric membrane. Results presented here are useful for selection and design of CHEMFET membranes and provide an idea of the limitations of the amorphous CHEMFET device. In addition to the economical advantage, the small size of this prototype means it is appropriate for in situ operation and integration in a sensor array.