Decision-directed feedback equalisation for QAM signals

Proposed is a symbol-based decision-directed algorithm for blind equalisation of quadrature amplitude modulation (QAM) signals using a decision feedback scheme. Independently of QAM order, it presents: (i) an error equal to zero when the equaliser output coincides with the transmitted signal; (ii) simultaneous recovery of the modulus and phase of the signal; (iii) a misadjustment close to that of the normalised least-mean squares algorithm; (iv) fast convergence; and (v) the avoidance of degenerative solutions. Additionally, its stability is ensured when the step-size is properly chosen.

Optical parametric oscillation with distributed feedback in cold atoms

There is currently a strong interest in mirrorless lasing systems(1), in which the electromagnetic feedback is provided either by disorder (multiple scattering in the gain medium) or by order (multiple Bragg reflection). These mechanisms correspond, respectively, to random lasers(2) and photonic crystal lasers(3). The crossover regime between order and disorder, or correlated disorder, has also been investigated with some success(4-6). Here, we report one-dimensional photonic-crystal lasing (that is, distributed feedback lasing(7,8)) with a cold atom cloud that simultaneously provides both gain and feedback. The atoms are trapped in a one-dimensional lattice, producing a density modulation that creates a strong Bragg reflection with a small angle of incidence. Pumping the atoms with auxiliary beams induces four-wave mixing, which provides parametric gain. The combination of both ingredients generates a mirrorless parametric oscillation with a conical output emission, the apex angle of which is tunable with the lattice periodicity.

Frequency and precision of feedback and the adaptive process of learning a dual motor task

This work investigated the effects of frequency and precision of feedback on the learning of a dual-motor task. One hundred and twenty adults were randomly assigned to six groups of different knowledge of results (KR), frequency (100%, 66% or 33%) and precision (specific or general) levels. In the stabilization phase, participants performed the dual task (combination of linear positioning and manual force control) with the provision of KR. Ten non-KR adaptation trials were performed for the same task, but with the introduction of an electromagnetic opposite traction force. The analysis showed a significant main effect for frequency of KR. The participants who received KR in 66% of the stabilization trials showed superior adaptation performance than those who received 100% or 33%. This finding reinforces that there is an optimal level of information, neither too high nor too low, for motor learning to be effective.

Masking environmental feedback : Misfits between institutions and ecosystems in Belize and Thailand

The thesis analyses relationships between ecological and social systems in the context of coastal ecosystems. It examines human impacts from resource extraction and addresses management and governance behind resource exploitation. The main premises are that a lack of ecological knowledge leads to poor ecosystem management and that the dichotomy between social and natural systems is an artificial one. The thesis illustrates the importance of basing resource management on the ecological conditions of the resource and its ecosystem. It also demonstrates the necessity of accounting for the human dimension in ecosystem management and the challenges of organising human actions for sustainable use of ecosystem services in the face of economic incentives that push users towards short-term extraction. Many Caribbean coral reefs have undergone a shift from coral to macroalgal domination. An experiment on Glovers Reef Atoll in Belize manually cleared patch reefs in a no-take zone and a fished zone (Papers I and II). The study hypothesised that overfishing has reduced herbivorous fish populations that control macroalgae growth. Overall, management had no significant effect on fish abundance and the impacts of the algal reduction were short-lived. This illustrated that the benefits of setting aside marine reserves in impacted environments should not be taken for granted. Papers III and IV studied the development of the lobster and conch fisheries in Belize, and the shrimp farming industry in Thailand respectively. These studies found that environmental feedback can be masked to give the impression of resource abundance through sequential exploitation. In both cases inadequate property rights contributed to this unsustainable resource use. The final paper (V) compared the responses to changes in the resource by the lobster fisheries in Belize and Maine in terms of institutions, organisations and their role in management. In contrast to Maine’s, the Belize system seems to lack social mechanisms for responding effectively to environmental feedback. The results illustrate the importance of organisational and institutional diversity that incorporate ecological knowledge, respond to ecosystem feedback and provide a social context for learning from and adapting to change.

REXTRAP - ion accumulation, cooling and bunching for REX-ISOLDE

REX-ISOLDE ist ein Pilotexperiment zur Nachbeschleunigung radioaktiver Ionenstrahlen am on-line Massenseparator ISOLDE am CERN. Ein wichtiges Teilprojekt war die Realisierung der effizienten Umwandlung des kontinuierlichen niederenergetischen Ionenstrahles in kurze Ionenpulse hoher Qualität. Zu diesem Zweck wurde im Rahmen dieser Arbeit REXTRAP, eine gasgefüllte Penningfalle entwickelt, in Betrieb genommen und systematisch untersucht.

Homeostatic Patterns - Processi biomimetici feedback-based per una architettura efficiente nei Prati di Caprara

Gli organismi biologici mostrano ricorrenti dinamiche di auto-organizzazione nei processi morfogenetici che sono alla base di come la materia acquisisce gerarchia e organizzazione.L’omeostasi è la condizione con la quale un corpo raggiunge il proprio equilibrio (termico, pressione, ecc.); un processo attraverso il quale questi sistemi stabilzzano le reazioni fisiologiche. Una delle caratteristiche fondamentali esibite da tali organismi è la capacità della materia di instaurare processi di auto-organizzazione, responsabile dei processi di ottimizzazione che guidano all’uso efficiente dell’energia nella lotta per la sopravvivenza. Questa ottimizzazione non mira al raggiungimento di un risultato globale deterministico e “chiuso” (precedentemente stabilito e poi perseguito ad ogni costo), quanto piuttosto al raggiungimento di un’efficienza di processi locali con obiettivi multipli e necessità divergenti; tali processi interagiscono organizzando sistemi nei quali proprietà peculiari uniche emergono dalle interazioni descritte. Le esigenze divergenti non sono negoziate sulla base di un principio di esclusività (una esigenza esclude o elimina le altre) ma da un principio di prevalenza, dove le necessità non prevalenti non cessano di esistere ma si modificano in funzione di quelle prevalenti (il proprio campo di espressione è vincolato dai percorsi tracciati in quello delle esigenze prevalenti). In questa tesi si descrive un’applicazione ad uno specifico caso di studio di progettazione architettonica: un parco con spazi polifunzionali nella città di Bologna. L’obiettivo principale del progetto Homeostatic Pattern è quello di dimostrare come questo tipo di processi possano essere osservati, compresi e traslati in architettura: come per gli organismi biologici, in questo progetto gli scambi di materia ed energia (stabilità, respirazione, porosità alla luce) sono regolati da sistemi integrati efficienti piuttosto che da raggruppamenti di elementi mono-ottimizzati. Una specifica pipeline di software è stata costituita allo scopo di collegare in modo bidirezionale e senza soluzione di continuità un software di progettazione parametrica generativa (Grasshopper®) con software di analisi strutturale ed ambientale (GSA Oasys®, Autodesk® Ecotect® analysis), riconducendo i dati nella stessa struttura attraverso cicli di feedback. Il sistema così ottenuto mostra caratteristiche sia a scala macroscopica, come la possibilità di utilizzo della superficie esterna che permette anche un’estensione dell’area verde (grazie alla continuità della membrana), sia alla scala del componente, come la propria capacità di negoziare, tra le altre, la radiazione solare e la modulazione della luce, così come la raccolta capillare delle acque meteoriche. Un sistema multiperformante che come tale non persegue l’ottimizzazione di una singola proprietà ma un miglioramento complessivo per una maggiore efficienza.

Valutazione del risparmio energetico conseguibile negli impianti di condizionamento estivo con l'adozione del free-cooling

Per la valutazione dei consumi energetici attribuiti alla climatizzazione estiva di un sistema edificio-impianto, operante in condizioni di regime termico dinamico, è stato realizzato un modello di simulazione, sviluppato in Excel, che si avvale del metodo delle funzioni di trasferimento per la determinazione dei carichi termici. Nel modello sono state implementate numerose varianti all'impianto di condizionamento di base, permettendo rapidi confronti sui risparmi enegetici conseguibili, in funzione delle diverse caratteristiche del sistema.

Seismic performance of rooftop cooling towers in buildings

Negli ultimi anni la ricerca ha fatto grandi passi avanti riguardo ai metodi di progetto e realizzazione delle strutture portanti degli edifici, a tal punto da renderle fortemente sicure sotto tutti i punti di vista. La nuova frontiera della ricerca sta quindi virando su aspetti che non erano mai stati in primo piano finora: gli elementi non-strutturali. Considerati fino ad oggi semplicemente carico accessorio, ci si rende sempre più conto della loro capacità di influire sui comportamenti delle strutture e sulla sicurezza di chi le occupa. Da qui nasce l’esigenza di questo grande progetto chiamato BNCs (Building Non-structural Component System), ideato dall’Università della California - San Diego e sponsorizzato dalle maggiori industrie impegnate nel campo delle costruzioni. Questo progetto, a cui ho preso parte, ha effettuato test su tavola vibrante di un edificio di cinque piani in scala reale, completamente arredato ed allestito dei più svariati elementi non-strutturali. Lo scopo della tesi in questione, ovviamente, riguarda l’identificazione strutturale e la verifica della sicurezza di uno di questi elementi non-strutturali: precisamente la torre di raffreddamento posta sul tetto dell’edificio (del peso di circa 3 tonnellate). Partendo da una verifica delle regole e calcoli di progetto, si è passato ad una fase di test sismici ed ispezioni post-test della torre stessa, infine tramite l’analisi dei dati raccolti durante i test e si è arrivati alla stesura di conclusioni.

Deciphering petrological signatures of reactive melt stagnation and cooling in the oceanic mantle underneath ultraslow-spreading ridges

The global mid-ocean ridge system creates oceanic crust and lithosphere that covers more than two-thirds of the Earth. Basalts are volumetrically the most important rock type sampled at mid-ocean ridges. For this reason, our present understanding of upper mantle dynamics and the chemical evolution of the earth is strongly influenced by the study of mid-ocean ridge basalts (MORB). However, MORB are aggregates of polybarically generated small melt increments that can undergo a variety of physical and chemical processes during their ascent and consequently affect their derivative geochemical composition. Therefore, MORB do not represent “direct” windows to the underlying upper mantle. Abyssal peridotites, upper mantle rocks recovered from the ocean floor, are the residual complement to MORB melting and provide essential information on melt extraction from the upper mantle. In this study, abyssal peridotites are examined to address these overarching questions posed by previous studies of MORB: How are basaltic melts formed in the mantle, how are they extracted from the mantle and what physical and chemical processes control mantle melting? The number of studies on abyssal peridotites is small compared to those on basalts, in part because seafloor exposures of abyssal peridotites are relatively rare. For this reason, abyssal peridotite characteristics need to be considered in the context of subaerially exposed peridotites associated with ophiolites, orogenic peridotite bodies and basalt-hosted xenoliths. However, orogenic peridotite bodies are mainly associated with passive continental margins, most ophiolites are formed in supra-subduction zone settings, and peridotite xenoliths are often contaminated by their host magma. Therefore, studies of abyssal peridotites are essential to understanding the primary characteristics of the oceanic upper mantle free from the influence of continental rifting, subduction and tectonic emplacement processes. Nevertheless, numerous processes such as melt stagnation and cooling-induced, inter-mineral exchange can affect residual abyssal peridotite compositions after the cessation of melting. The aim of this study is to address these post-melting modifications of abyssal peridotites from a petrological-geochemical perspective. The samples in this study were dredged along the axis of the ultraslow-spreading Gakkel Ridge in the Arctic Ocean within the “Sparsely Magmatic Zone”, a 100 km ridge section where only mantle rocks are exposed. During two expeditions (ARK XVII-2 in 2001 and ARK XX-2 in 2004), exceptionally fresh peridotites were recovered. The boulders and cobbles collected cover a range of mantle rock compositions, with most characterized as plagioclase-free spinel peridotites or plagioclase- spinel peridotites. This thesis investigates melt stagnation and cooling processes in the upper mantle and is divided into two parts. The first part focuses on processes in the stability field of spinel peridotites (>10 kb) such as melt refertilization and cooling related trace element exchange, while the second part investigates processes in the stability field of plagioclase peridotites (< 10 kb) such as reactive melt migration and melt stagnation. The dissertation chapters are organized to follow the theoretical ascent of a mantle parcel upwelling beneath the location where the samples were collected.

The gaseous halo of the Milky Way

In the last decade, sensitive observations have revealed that disc galaxies are surrounded by multiphase gaseous halos produced by the circulation of gas from the discs to the environment and vice-versa. This Thesis is a study of the gaseous halo of the Milky Way carried out via the modelling of the HI emission and the available absorption-line data. We fitted simple kinematical models to the HI LAB Survey and found that the Galaxy has a massive (~3x10^8 Mo) HI halo extending a few kiloparsecs above the plane. This layer rotates more slowly than the disc and shows a global inflow motion, a kinematics similar to that observed in the HI halos of nearby galaxies. We built a dynamical model of the galactic fountain to reproduce the properties of this layer. In this model, fountain clouds are ejected from the disc by SN feedback and - as suggested by hydrodynamical simulations - triggers the cooling of coronal gas, which is entrained by the cloud wakes and accretes onto the disc when the clouds fall back. For a proper choice of the parameters, the model reproduces well the HI data and predicts an accretion of coronal gas onto the disc at a rate of 2 Mo/yr. We extended this model to the warm-hot component of the halo, showing that most of the ion absorption features observed towards background sources are consistent with being produced in the turbulent wakes that lag behind the fountain clouds. Specifically, the column densities, positions, and velocities of the absorbers are well reproduced by our model. Finally, we studied the gas content of galaxies extracted from a cosmological N-body+SPH simulation, and found that an HI halo with the forementioned properties is not observed, probably due ti the relatively low resolution of the simulations.

Riabilitazione e valutazione di pazienti con deficit neurologici mediante l'utilizzo di realtà virtuale, feedback aumentati, sensori inerziali e tecnologie video a basso costo.

La neuroriabilitazione è un processo attraverso cui individui affetti da patologie neurologiche mirano al conseguimento di un recupero completo o alla realizzazione del loro potenziale ottimale benessere fisico, mentale e sociale. Elementi essenziali per una riabilitazione efficace sono: una valutazione clinica da parte di un team multidisciplinare, un programma riabilitativo mirato e la valutazione dei risultati conseguiti mediante misure scientifiche e clinicamente appropriate. Obiettivo principale di questa tesi è stato sviluppare metodi e strumenti quantitativi per il trattamento e la valutazione motoria di pazienti neurologici. I trattamenti riabilitativi convenzionali richiedono a pazienti neurologici l’esecuzione di esercizi ripetitivi, diminuendo la loro motivazione. La realtà virtuale e i feedback sono in grado di coinvolgerli nel trattamento, permettendo ripetibilità e standardizzazione dei protocolli. È stato sviluppato e valutato uno strumento basato su feedback aumentati per il controllo del tronco. Inoltre, la realtà virtuale permette l’individualizzare il trattamento in base alle esigenze del paziente. Un’applicazione virtuale per la riabilitazione del cammino è stata sviluppata e testata durante un training su pazienti di sclerosi multipla, valutandone fattibilità e accettazione e dimostrando l'efficacia del trattamento. La valutazione quantitativa delle capacità motorie dei pazienti viene effettuata utilizzando sistemi di motion capture. Essendo il loro uso nella pratica clinica limitato, una metodologia per valutare l’oscillazione delle braccia in soggetti parkinsoniani basata su sensori inerziali è stata proposta. Questi sono piccoli, accurati e flessibili ma accumulano errori durante lunghe misurazioni. È stato affrontato questo problema e i risultati suggeriscono che, se il sensore è sul piede e le accelerazioni sono integrate iniziando dalla fase di mid stance, l’errore e le sue conseguenze nella determinazione dei parametri spaziali sono contenuti. Infine, è stata presentata una validazione del Kinect per il tracking del cammino in ambiente virtuale. Risultati preliminari consentono di definire il campo di utilizzo del sensore in riabilitazione.