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

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

Free-form optical systems for nonimaging applications : Sistemas ópticos anamórficos para aplicaciones anidólicas

La óptica anidólica es una rama de la óptica cuyo desarrollo comenzó a mediados de la década de 1960. Este relativamente nuevo campo de la óptica se centra en la transferencia eficiente de la luz, algo necesario en muchas aplicaciones, entre las que destacamos los concentradores solares y los sistemas de iluminación. Las soluciones de la óptica clásica a los problemas de la transferencia de energía de la luz sólo son adecuadas cuando los rayos de luz son paraxiales. La condición paraxial no se cumple en la mayoría de las aplicaciones para concentración e iluminación. Esta tesis contiene varios diseños free-form (aquellos que no presentan ninguna simetría, ni de rotación ni lineal) cuyas aplicaciones van destinadas a estos dos campos. El término nonimaging viene del hecho de que estos sistemas ópticos no necesitan formar una imagen del objeto, aunque no formar la imagen no es una condición necesaria. Otra palabra que se utiliza a veces en lugar de nonimaging es la palabra anidólico, viene del griego "an+eidolon" y tiene el mismo significado. La mayoría de los sistemas ópticos diseñados para aplicaciones anidólicas no presentan ninguna simetría, es decir, son free-form (anamórficos). Los sistemas ópticos free-form están siendo especialmente relevantes durante los últimos años gracias al desarrollo de las herramientas para su fabricación como máquinas de moldeo por inyección y el mecanizado multieje. Sin embargo, solo recientemente se han desarrollado técnicas de diseño anidólicas capaces de cumplir con estos grados de libertad. En aplicaciones de iluminación el método SMS3D permite diseñar dos superficies free-form para controlar las fuentes de luz extensas. En los casos en que se requiere una elevada asimetría de la fuente, el objeto o las restricciones volumétricos, las superficies free-form permiten obtener soluciones de mayor eficiencia, o disponer de menos elementos en comparación con las soluciones de simetría de rotación, dado que las superficies free-form tienen más grados de libertad y pueden realizar múltiples funciones debido a su naturaleza anamórfica. Los concentradores anidólicos son muy adecuados para la captación de energía solar, ya que el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol, sino sencillamente la captura de su energía. En este momento, el campo de la concentración fotovoltaica (CPV) tiende hacia sistemas de alta concentración con el fin de compensar el gasto de las células solares multi-unión (MJ) utilizadas como receptores, reduciendo su área. El interés en el uso de células MJ radica en su alta eficiencia de conversión. Para obtener sistemas competitivos en aplicaciones terrestres se recurre a sistemas fotovoltaicos de alta concentración (HCPV), con factores de concentración geométrica por encima de 500x. Estos sistemas se componen de dos (o más) elementos ópticos (espejos y/o lentes). En los sistemas presentados a lo largo de este trabajo se presentan ejemplos de concentradores HCPV con elementos reflexivos como etapa primaria, así como concentradores con elementos refractivos (lente de Fresnel). Con la necesidad de aumentar la eficiencia de los sistemas HCPV reales y con el fin de proporcionar la división más eficiente del espectro solar, células conteniendo cuatro o más uniones (con un potencial de alcanzar eficiencias de más del 45% a una concentración de cientos de soles) se exploran hoy en día. En esta tesis se presenta una de las posibles arquitecturas de división del espectro (spectrum-splitting en la literatura anglosajona) que utilizan células de concentración comercial. Otro campo de aplicación de la óptica nonimaging es la iluminación, donde es necesario proporcionar un patrón de distribución de la iluminación específico. La iluminación de estado sólido (SSL), basada en la electroluminiscencia de materiales semiconductores, está proporcionando fuentes de luz para aplicaciones de iluminación general. En la última década, los diodos emisores de luz (LED) de alto brillo han comenzado a reemplazar a las fuentes de luz convencionales debido a la superioridad en la calidad de la luz emitida, elevado tiempo de vida, compacidad y ahorro de energía. Los colimadores utilizados con LEDs deben cumplir con requisitos tales como tener una alta eficiencia, un alto control del haz de luz, una mezcla de color espacial y una gran compacidad. Presentamos un colimador de luz free-form con microestructuras capaz de conseguir buena colimación y buena mezcla de colores con una fuente de LED RGGB. Una buena mezcla de luz es importante no sólo para simplificar el diseño óptico de la luminaria sino también para evitar hacer binning de los chips. La mezcla de luz óptica puede reducir los costes al evitar la modulación por ancho de pulso y otras soluciones electrónicas patentadas para regulación y ajuste de color. Esta tesis consta de cuatro capítulos. Los capítulos que contienen la obra original de esta tesis son precedidos por un capítulo introductorio donde se presentan los conceptos y definiciones básicas de la óptica geométrica y en el cual se engloba la óptica nonimaging. Contiene principios de la óptica no formadora de imagen junto con la descripción de sus problemas y métodos de diseño. Asimismo se describe el método de Superficies Múltiples Simultáneas (SMS), que destaca por su versatilidad y capacidad de controlar varios haces de rayos. Adicionalmente también se describe la integración Köhler y sus aplicaciones en el campo de la energía fotovoltaica. La concentración fotovoltaica y la iluminación de estado sólido son introducidas junto con la revisión de su estado actual. El Segundo y Tercer Capítulo contienen diseños ópticos avanzados con aplicación en la concentración solar principalmente, mientras que el Cuarto Capítulo describe el colimador free-form con surcos que presenta buena mezcla de colores para aplicaciones de iluminación. El Segundo Capítulo describe dos concentradores ópticos HCPV diseñados con el método SMS en tres dimensiones (SMS3D) que llevan a cabo integración Köhler en dos direcciones con el fin de proporcionar una distribución de irradiancia uniforme libre de aberraciones cromáticas sobre la célula solar. Uno de los diseños es el concentrador XXR free-form diseñado con el método SMS3D, donde el espejo primario (X) y la lente secundaria (R) se dividen en cuatro sectores simétricos y llevan a cabo la integración Köhler (proporcionando cuatro unidades del array Köhler), mientras que el espejo intermedio (X) presenta simetría rotacional. Otro concentrador HCPV presentado es el Fresnel-RXI (FRXI) con una lente de Fresnel funcionando como elemento primario (POE) y una lente RXI como elemento óptico secundario (SOE), que presenta configuración 4-fold con el fin de realizar la integración Köhler. Las lentes RXI son dispositivos nonimaging conocidos, pero su aplicación como elemento secundario es novedosa. Los concentradores XXR y FRXI Köhler son ejemplos académicos de muy alta concentración (más de 2,000x, mientras que los sistemas convencionales hoy en día no suelen llegar a 1,000x) preparados para las células solares N-unión (con N>3), que probablemente requerirán una mayor concentración y alta uniformidad espectral de irradiancia con el fin de obtener sistemas CPV terrestres eficientes y rentables. Ambos concentradores están diseñados maximizando funciones de mérito como la eficiencia óptica, el producto concentración-aceptancia (CAP) y la uniformidad de irradiancia sobre la célula libre de la aberración cromática (integración Köhler). El Tercer Capítulo presenta una arquitectura para la división del espectro solar basada en un módulo HCPV con alta concentración (500x) y ángulo de aceptancia alto (>1º) que tiene por objeto reducir ambas fuentes de pérdidas de las células triple unión (3J) comerciales: el uso eficiente del espectro solar y la luz reflejada de los contactos metálicos y de la superficie de semiconductor. El módulo para la división del espectro utiliza el espectro solar más eficiente debido a la combinación de una alta eficiencia de una célula de concentración 3J (GaInP/GaInAs/Ge) y una de contacto posterior (BPC) de concentración de silicio (Si), así como la técnica de confinamiento externo para la recuperación de la luz reflejada por la célula 3J con el fin de ser reabsorbida por la célula. En la arquitectura propuesta, la célula 3J opera con su ganancia de corriente optimizada (concentración geométrica de 500x), mientras que la célula de silicio trabaja cerca de su óptimo también (135x). El módulo de spectrum-splitting consta de una lente de Fresnel plana como POE y un concentrador RXI free-form como SOE con un filtro paso-banda integrado en él. Tanto POE como SOE realizan la integración Köhler para producir homogeneización de luz sobre la célula. El filtro paso banda envía los fotones IR en la banda 900-1,150nm a la célula de silicio. Hay varios aspectos prácticos de la arquitectura del módulo presentado que ayudan a reducir la complejidad de los sistemas spectrum-splitting (el filtro y el secundario forman una sola pieza sólida, ambas células son coplanarias simplificándose el cableado y la disipación de calor, etc.). Prototipos prueba-de-concepto han sido ensamblados y probados a fin de demostrar la fabricabilidad del filtro y su rendimiento cuando se combina con la técnica de reciclaje de luz externa. Los resultados obtenidos se ajustan bastante bien a los modelos y a las simulaciones e invitan al desarrollo de una versión más compleja de este prototipo en el futuro. Dos colimadores sólidos con surcos free-form se presentan en el Cuarto Capítulo. Ambos diseños ópticos están diseñados originalmente usando el método SMS3D. La segunda superficie ópticamente activa está diseñada a posteriori como una superficie con surcos. El diseño inicial de dos espejos (XX) está diseñado como prueba de concepto. En segundo lugar, el diseño RXI free-form es comparable con los colimadores RXI existentes. Se trata de un diseño muy compacto y eficiente que proporciona una muy buena mezcla de colores cuando funciona con LEDs RGB fuera del eje óptico como en los RGB LEDs convencionales. Estos dos diseños son dispositivos free-form diseñados con la intención de mejorar las propiedades de mezcla de colores de los dispositivos no aplanáticos RXI con simetría de revolución y la eficiencia de los aplanáticos, logrando una buena colimación y una buena mezcla de colores. La capacidad de mezcla de colores del dispositivo no-aplanático mejora añadiendo características de un aplanático a su homólogo simétrico sin pérdida de eficiencia. En el caso del diseño basado en RXI, su gran ventaja consiste en su menor coste de fabricación ya que el proceso de metalización puede evitarse. Aunque algunos de los componentes presentan formas muy complejas, los costes de fabricación son relativamente insensibles a la complejidad del molde, especialmente en el caso de la producción en masa (tales como inyección de plástico), ya que el coste del molde se reparte entre todas las piezas fabricadas. Por último, las últimas dos secciones son las conclusiones y futuras líneas de investigación. ABSTRACT Nonimaging optics is a branch of optics whose development began in the mid-1960s. This rather new field of optics focuses on the efficient light transfer necessary in many applications, among which we highlight solar concentrators and illumination systems. The classical optics solutions to the problems of light energy transfer are only appropriate when the light rays are paraxial. The paraxial condition is not met in most applications for the concentration and illumination. This thesis explores several free-form designs (with neither rotational nor linear symmetry) whose applications are intended to cover the above mentioned areas and more. The term nonimaging comes from the fact that these optical systems do not need to form an image of the object, although it is not a necessary condition not to form an image. Another word sometimes used instead of nonimaging is anidolic, and it comes from the Greek “an+eidolon” and has the same meaning. Most of the optical systems designed for nonimaging applications are without any symmetry, i.e. free-form. Free-form optical systems become especially relevant lately with the evolution of free-form tooling (injection molding machines, multi-axis machining techniques, etc.). Nevertheless, only recently there are nonimaging design techniques that are able to meet these degrees of freedom. In illumination applications, the SMS3D method allows designing two free-form surfaces to control very well extended sources. In cases when source, target or volumetric constrains have very asymmetric requirements free-form surfaces are offering solutions with higher efficiency or with fewer elements in comparison with rotationally symmetric solutions, as free-forms have more degrees of freedom and they can perform multiple functions due to their free-form nature. Anidolic concentrators are well suited for the collection of solar energy, because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun, but instead the collection of its energy. At this time, Concentration Photovoltaics (CPV) field is turning to high concentration systems in order to compensate the expense of multi-junction (MJ) solar cells used as receivers by reducing its area. Interest in the use of MJ cells lies in their very high conversion efficiency. High Concentration Photovoltaic systems (HCPV) with geometric concentration of more than 500x are required in order to have competitive systems in terrestrial applications. These systems comprise two (or more) optical elements, mirrors and/or lenses. Systems presented in this thesis encompass both main types of HCPV architectures: concentrators with primary reflective element and concentrators with primary refractive element (Fresnel lens). Demand for the efficiency increase of the actual HCPV systems as well as feasible more efficient partitioning of the solar spectrum, leads to exploration of four or more junction solar cells or submodules. They have a potential of reaching over 45% efficiency at concentration of hundreds of suns. One possible architectures of spectrum splitting module using commercial concentration cells is presented in this thesis. Another field of application of nonimaging optics is illumination, where a specific illuminance distribution pattern is required. The Solid State Lighting (SSL) based on semiconductor electroluminescence provides light sources for general illumination applications. In the last decade high-brightness Light Emitting Diodes (LEDs) started replacing conventional light sources due to their superior output light quality, unsurpassed lifetime, compactness and energy savings. Collimators used with LEDs have to meet requirements like high efficiency, high beam control, color and position mixing, as well as a high compactness. We present a free-form collimator with microstructures that performs good collimation and good color mixing with RGGB LED source. Good light mixing is important not only for simplifying luminaire optical design but also for avoiding die binning. Optical light mixing may reduce costs by avoiding pulse-width modulation and other patented electronic solutions for dimming and color tuning. This thesis comprises four chapters. Chapters containing the original work of this thesis are preceded by the introductory chapter that addresses basic concepts and definitions of geometrical optics on which nonimaging is developed. It contains fundamentals of nonimaging optics together with the description of its design problems, principles and methods, and with the Simultaneous Multiple Surface (SMS) method standing out for its versatility and ability to control several bundles of rays. Köhler integration and its applications in the field of photovoltaics are described as well. CPV and SSL fields are introduced together with the review on their background and their current status. Chapter 2 and Chapter 3 contain advanced optical designs with primarily application in solar concentration; meanwhile Chapter 4 portrays the free-form V-groove collimator with good color mixing property for illumination application. Chapter 2 describes two HCPV optical concentrators designed with the SMS method in three dimensions (SMS3D). Both concentrators represent Köhler integrator arrays that provide uniform irradiance distribution free from chromatic aberrations on the solar cell. One of the systems is the XXR free-form concentrator designed with the SMS3D method. The primary mirror (X) of this concentrator and secondary lens (R) are divided in four symmetric sectors (folds) that perform Köhler integration; meanwhile the intermediate mirror (X) is rotationally symmetric. Second HCPV concentrator is the Fresnel-RXI (FRXI) with flat Fresnel lens as the Primary Optical Element (POE) and an RXI lens as the Secondary Optical Element (SOE). This architecture manifests 4-fold configuration for performing Köhler integration (4 array units), as well. The RXI lenses are well-known nonimaging devices, but their application as SOE is novel. Both XXR and FRXI Köhler HCPV concentrators are academic examples of very high concentration (more than 2,000x meanwhile conventional systems nowadays have up to 1,000x) prepared for the near future N-junction (N>3) solar cells. In order to have efficient and cost-effective terrestrial CPV systems, those cells will probably require higher concentrations and high spectral irradiance uniformity. Both concentrators are designed by maximizing merit functions: the optical efficiency, concentration-acceptance angle (CAP) and cell-irradiance uniformity free from chromatic aberrations (Köhler integration). Chapter 3 presents the spectrum splitting architecture based on a HCPV module with high concentration (500x) and high acceptance angle (>1º). This module aims to reduce both sources of losses of the actual commercial triple-junction (3J) solar cells with more efficient use of the solar spectrum and with recovering the light reflected from the 3J cells’ grid lines and semiconductor surface. The solar spectrum is used more efficiently due to the combination of a high efficiency 3J concentration cell (GaInP/GaInAs/Ge) and external Back-Point-Contact (BPC) concentration silicon (Si) cell. By employing external confinement techniques, the 3J cell’s reflections are recovered in order to be re-absorbed by the cell. In the proposed concentrator architecture, the 3J cell operates at its optimized current gain (at geometrical concentration of 500x), while the Si cell works near its optimum, as well (135x). The spectrum splitting module consists of a flat Fresnel lens (as the POE), and a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it (as the SOE), both POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization. The band-pass filter sends the IR photons in the 900-1,150nm band to the Si cell. There are several practical aspects of presented module architecture that help reducing the added complexity of the beam splitting systems: the filter and secondary are forming a single solid piece, both cells are coplanar so the heat management and wiring is simplified, etc. Two proof-of-concept prototypes are assembled and tested in order to prove filter manufacturability and performance, as well as the potential of external light recycling technique. Obtained measurement results agree quite well with models and simulations, and show an opened path to manufacturing of the Fresnel RXI-type secondary concentrator with spectrum splitting strategy. Two free-form solid V-groove collimators are presented in Chapter 4. Both free-form collimators are originally designed with the SMS3D method. The second mirrored optically active surface is converted in a grooved surface a posteriori. Initial two mirror (XX) design is presented as a proof-of-concept. Second, RXI free-form design is comparable with existing RXI collimators as it is a highly compact and a highly efficient design. It performs very good color mixing of the RGGB LED sources placed off-axis like in conventional RGB LEDs. Collimators described here improve color mixing property of the prior art rotationally symmetric no-aplanatic RXI devices, and the efficiency of the aplanatic ones, accomplishing both good collimation and good color mixing. Free-form V-groove collimators enhance the no-aplanatic device's blending capabilities by adding aplanatic features to its symmetric counterpart with no loss in efficiency. Big advantage of the RXI design is its potentially lower manufacturing cost, since the process of metallization may be avoided. Although some components are very complicated for shaping, the manufacturing costs are relatively insensitive to the complexity of the mold especially in the case of mass production (such as plastic injection), as the cost of the mold is spread in many parts. Finally, last two sections are conclusions and future lines of investigation.

Wide bandwidth envelope trackers with reduced switching frequency for RF power amplifier

El requerimiento de proveer alta frecuencia de datos en los modernos sistema de comunicación inalámbricos resulta en complejas señales moduladas de radio-frequencia (RF) con un gran ancho de banda y alto ratio pico-promedio (PAPR). Para garantizar la linealidad del comportamiento, los amplificadores lineales de potencia comunes funcionan típicamente entre 4 y 10 dB de back-o_ desde la máxima potencia de salida, ocasionando una baja eficiencia del sistema. La eliminación y restauración de la evolvente (EER) y el seguimiento de la evolvente (ET) son dos prometedoras técnicas para resolver el problema de la eficiencia. Tanto en EER como en ET, es complicado diseñar un amplificador de potencia que sea eficiente para señales de RF de alto ancho de banda y alto PAPR. Una propuesta común para los amplificadores de potencia es incluir un convertidor de potencia de muy alta eficiencia operando a frecuencias más altas que el ancho de banda de la señal RF. En este caso, la potencia perdida del convertidor ocasionado por la alta frecuencia desaconseja su práctica cuando el ancho de banda es muy alto. La solución a este problema es el enfoque de esta disertación que presenta dos arquitecturas de amplificador evolvente: convertidor híbrido-serie con una técnica de evolvente lenta y un convertidor multinivel basado en un convertidor reductor multifase con control de tiempo mínimo. En la primera arquitectura, una topología híbrida está compuesta de una convertidor reductor conmutado y un regulador lineal en serie que trabajan juntos para ajustar la tensión de salida para seguir a la evolvente con precisión. Un algoritmo de generación de una evolvente lenta crea una forma de onda con una pendiente limitada que es menor que la pendiente máxima de la evolvente original. La salida del convertidor reductor sigue esa forma de onda en vez de la evolvente original usando una menor frecuencia de conmutación, porque la forma de onda no sólo tiene una pendiente reducida sino también un menor ancho de banda. De esta forma, el regulador lineal se usa para filtrar la forma de onda tiene una pérdida de potencia adicional. Dependiendo de cuánto se puede reducir la pendiente de la evolvente para producir la forma de onda, existe un trade-off entre la pérdida de potencia del convertidor reductor relacionada con la frecuencia de conmutación y el regulador lineal. El punto óptimo referido a la menor pérdida de potencia total del amplificador de evolvente es capaz de identificarse con la ayuda de modelo preciso de pérdidas que es una combinación de modelos comportamentales y analíticos de pérdidas. Además, se analiza el efecto en la respuesta del filtro de salida del convertidor reductor. Un filtro de dampeo paralelo extra es necesario para eliminar la oscilación resonante del filtro de salida porque el convertidor reductor opera en lazo abierto. La segunda arquitectura es un amplificador de evolvente de seguimiento de tensión multinivel. Al contrario que los convertidores que usan multi-fuentes, un convertidor reductor multifase se emplea para generar la tensión multinivel. En régimen permanente, el convertidor reductor opera en puntos del ciclo de trabajo con cancelación completa del rizado. El número de niveles de tensión es igual al número de fases de acuerdo a las características del entrelazamiento del convertidor reductor. En la transición, un control de tiempo mínimo (MTC) para convertidores multifase es novedosamente propuesto y desarrollado para cambiar la tensión de salida del convertidor reductor entre diferentes niveles. A diferencia de controles convencionales de tiempo mínimo para convertidores multifase con inductancia equivalente, el propuesto MTC considera el rizado de corriente por cada fase basado en un desfase fijo que resulta en diferentes esquemas de control entre las fases. La ventaja de este control es que todas las corrientes vuelven a su fase en régimen permanente después de la transición para que la siguiente transición pueda empezar muy pronto, lo que es muy favorable para la aplicación de seguimiento de tensión multinivel. Además, el control es independiente de la carga y no es afectado por corrientes de fase desbalanceadas. Al igual que en la primera arquitectura, hay una etapa lineal con la misma función, conectada en serie con el convertidor reductor multifase. Dado que tanto el régimen permanente como el estado de transición del convertidor no están fuertemente relacionados con la frecuencia de conmutación, la frecuencia de conmutación puede ser reducida para el alto ancho de banda de la evolvente, la cual es la principal consideración de esta arquitectura. La optimización de la segunda arquitectura para más alto anchos de banda de la evolvente es presentada incluyendo el diseño del filtro de salida, la frecuencia de conmutación y el número de fases. El área de diseño del filtro está restringido por la transición rápida y el mínimo pulso del hardware. La rápida transición necesita un filtro pequeño pero la limitación del pulso mínimo del hardware lleva el diseño en el sentido contrario. La frecuencia de conmutación del convertidor afecta principalmente a la limitación del mínimo pulso y a las pérdidas de potencia. Con una menor frecuencia de conmutación, el ancho de pulso en la transición es más pequeño. El número de fases relativo a la aplicación específica puede ser optimizado en términos de la eficiencia global. Otro aspecto de la optimización es mejorar la estrategia de control. La transición permite seguir algunas partes de la evolvente que son más rápidas de lo que el hardware puede soportar al precio de complejidad. El nuevo método de sincronización de la transición incrementa la frecuencia de la transición, permitiendo que la tensión multinivel esté más cerca de la evolvente. Ambas estrategias permiten que el convertidor pueda seguir una evolvente con un ancho de banda más alto que la limitación de la etapa de potencia. El modelo de pérdidas del amplificador de evolvente se ha detallado y validado mediante medidas. El mecanismo de pérdidas de potencia del convertidor reductor tiene que incluir las transiciones en tiempo real, lo cual es diferente del clásico modelos de pérdidas de un convertidor reductor síncrono. Este modelo estima la eficiencia del sistema y juega un papel muy importante en el proceso de optimización. Finalmente, la segunda arquitectura del amplificador de evolvente se integra con el amplificador de clase F. La medida del sistema EER prueba el ahorro de energía con el amplificador de evolvente propuesto sin perjudicar la linealidad del sistema. ABSTRACT The requirement of delivering high data rates in modern wireless communication systems results in complex modulated RF signals with wide bandwidth and high peak-to-average ratio (PAPR). In order to guarantee the linearity performance, the conventional linear power amplifiers typically work at 4 to 10 dB back-off from the maximum output power, leading to low system efficiency. The envelope elimination and restoration (EER) and envelope tracking (ET) are two promising techniques to overcome the efficiency problem. In both EER and ET, it is challenging to design efficient envelope amplifier for wide bandwidth and high PAPR RF signals. An usual approach for envelope amplifier includes a high-efficiency switching power converter operating at a frequency higher than the RF signal's bandwidth. In this case, the power loss of converter caused by high switching operation becomes unbearable for system efficiency when signal bandwidth is very wide. The solution of this problem is the focus of this dissertation that presents two architectures of envelope amplifier: a hybrid series converter with slow-envelope technique and a multilevel converter based on a multiphase buck converter with the minimum time control. In the first architecture, a hybrid topology is composed of a switched buck converter and a linear regulator in series that work together to adjust the output voltage to track the envelope with accuracy. A slow envelope generation algorithm yields a waveform with limited slew rate that is lower than the maximum slew rate of the original envelope. The buck converter's output follows this waveform instead of the original envelope using lower switching frequency, because the waveform has not only reduced slew rate but also reduced bandwidth. In this way, the linear regulator used to filter the waveform has additional power loss. Depending on how much reduction of the slew rate of envelope in order to obtain that waveform, there is a trade-off between the power loss of buck converter related to the switching frequency and the power loss of linear regulator. The optimal point referring to the lowest total power loss of this envelope amplifier is identified with the help of a precise power loss model that is a combination of behavioral and analytic loss model. In addition, the output filter's effect on the response is analyzed. An extra parallel damping filter is needed to eliminate the resonant oscillation of output filter L and C, because the buck converter operates in open loop. The second architecture is a multilevel voltage tracking envelope amplifier. Unlike the converters using multi-sources, a multiphase buck converter is employed to generate the multilevel voltage. In the steady state, the buck converter operates at complete ripple cancellation points of duty cycle. The number of the voltage levels is equal to the number of phases according the characteristics of interleaved buck converter. In the transition, a minimum time control (MTC) for multiphase converter is originally proposed and developed for changing the output voltage of buck converter between different levels. As opposed to conventional minimum time control for multiphase converter with equivalent inductance, the proposed MTC considers the current ripple of each phase based on the fixed phase shift resulting in different control schemes among the phases. The advantage of this control is that all the phase current return to the steady state after the transition so that the next transition can be triggered very soon, which is very favorable for the application of multilevel voltage tracking. Besides, the control is independent on the load condition and not affected by the unbalance of phase current. Like the first architecture, there is also a linear stage with the same function, connected in series with the multiphase buck converter. Since both steady state and transition state of the converter are not strongly related to the switching frequency, it can be reduced for wide bandwidth envelope which is the main consideration of this architecture. The optimization of the second architecture for wider bandwidth envelope is presented including the output filter design, switching frequency and the number of phases. The filter design area is restrained by fast transition and the minimum pulse of hardware. The fast transition needs small filter but the minimum pulse of hardware limitation pushes the filter in opposite way. The converter switching frequency mainly affects the minimum pulse limitation and the power loss. With lower switching frequency, the pulse width in the transition is smaller. The number of phases related to specific application can be optimized in terms of overall efficiency. Another aspect of optimization is improving control strategy. Transition shift allows tracking some parts of envelope that are faster than the hardware can support at the price of complexity. The new transition synchronization method increases the frequency of transition, allowing the multilevel voltage to be closer to the envelope. Both control strategies push the converter to track wider bandwidth envelope than the limitation of power stage. The power loss model of envelope amplifier is detailed and validated by measurements. The power loss mechanism of buck converter has to include the transitions in real time operation, which is different from classical power loss model of synchronous buck converter. This model estimates the system efficiency and play a very important role in optimization process. Finally, the second envelope amplifier architecture is integrated with a Class F amplifier. EER system measurement proves the power saving with the proposed envelope amplifier without disrupting the linearity performance.

Casa Huarte: José Antonio Corrales y Ramón Vázquez Molezún. El concepto de lo experimental en el ámbito doméstico

Se plantea aquí el estudio de la Casa Huarte (1966) como un experimento doméstico -así lo concibió el matrimonio Huarte desde la libertad de acción y la entrega al talento de los arquitectos- que sintetizó los principios de los proyectos de la primera etapa de la obra de José Antonio Corrales (1921-2010) y Ramón Vázquez Molezún (1922-1993): paisaje construido, topografía modificada, basamento pesado y arraigado, cubierta ligera flotante y abstracción compositiva. La considerada vivienda experimental del siglo XX estaba asociada a estructuras familiares reducidas, como mucho formadas por un matrimonio con dos hijos. La Casa Huarte, sin embargo, pertenece a un grupo no reconocido de viviendas experimentales de gran formato, que aportaban -en entornos de vida socio-familiar no convencionales- una complejidad funcional, espacial y de relaciones interpersonales que la vivienda mínima no tenía. La Casa Huarte supuso un punto de inflexión en la carrera de Corrales y Molezún, culminando una primera etapa donde se concentraron sus obras más destacadas: Instituto en Herrera de Pisuerga (1956), Residencia de Miraflores (1958) y Pabellón de Bruselas, en sus versiones belga (1958) y española (1959). El proyecto de la Casa Huarte adelantó estrategias que aplicarían en proyectos posteriores -dinamismo del plano horizontal, visuales diagonales, entrada tangencial- y culminó la evolución de un tipo de vivienda que Corrales y Molezún comenzaron a investigar diez años antes. Entre 1956 y 1961 proyectaron cuatro viviendas (Casa Remírez Escudero, Casa Álvarez Mon, Casa Gómez Acebo y Casa Cela) que anticiparon soluciones y situaciones presentes y perfeccionadas en la Casa Huarte. Corrales aseguraba que si la vida es contradictoria la arquitectura también debería serlo. La Casa Huarte es compleja y contradictoria funcional y espacialmente, homogeneizada por una imagen exterior rotunda y atractiva de juegos de volúmenes maclados. El proyecto se muestra así de contundente detrás de habilidosas maniobras tectónicas que ocultan las muchas complejidades y contradicciones aparentemente inapreciables. Estas maniobras confunden la imagen que de la casa se tiene. Debajo de su manto cerámico de reminiscencias vernáculas - híbrido de casa castellana y arquitectura nórdica- se esconde una obra de arquitectura avanzada tecnológicamente. La tesis se desarrolla en cuatro apartados denominados procesos, por lo que tienen de secuencia en el desarrollo de la investigación. Estos procesos son: proceso descriptivo, proceso analítico, proceso interpretativo y proceso poético. Después del necesario e introductorio proceso descriptivo, el cuerpo central de la tesis -que contiene los procesos analítico, interpretativo y poético- sigue un guión marcado por la defensa de la categoría experimental de la Casa Huarte. Se han tratado los conceptos más característicos de la vivienda, desde los más generales a los más específicos divididos en cuatro grupos: Composición, volumen y espacio; El patio como lugar; El jardín: horizonte construido; Domesticidad del mundo interior; y Euritmia: materia y espíritu Molezún aseguraba que para entender una obra de arquitectura había que dibujarla. La Casa Huarte ha sido redibujada en sus tres etapas fundamentales: el proyecto de ejecución (marzo 1965), la casa acabada (noviembre 1966) y el estado actual (2012). El estudio y análisis se centra en la casa construida, por ser la realidad tridimensional en que el proyecto se nos manifiesta. La documentación gráfica del estado actual de la vivienda es inédita y ha sido posible gracias a múltiples inspecciones de la Casa Huarte en visitas facilitadas por las hijas de Jesús Huarte, actuales propietarias de la vivienda. Esta documentación nos permite constatar las alteraciones sobre la obra construida y conocer que modificaciones serían necesarias para recuperar el estado original de la casa. La Casa Huarte es una obra singular, una de las cinco viviendas unifamiliares pertenecientes a la Arquitectura del Movimiento Moderno en España y Portugal de mayor interés registrada por el Docomomo Internacional. Su futuro es incierto, se encuentra deshabitada y en venta. La familia Huarte ha cumplido con creces la misión de conservar su patrimonio. Es pertinente reivindicar su vigencia como obra de referencia de la arquitectura española del siglo XX, y, de esa manera, evitar que caiga en el olvido y el abandono. ABSTRACT The Huarte House (1966) will be analysed as a domestic experiment – that is how the Huarte’s conceived it, putting their faith in the architects – that synthesized the principles from the projects of the first phase of the work of Jose Antonio Corrales (1921-2010) and Ramón Vázquez Molezún (1922-1993): built landscape, modified topography, heavy and rooted base, light, floating roof and abstraction in composition. The experimental house of the 20th century was associated with small nuclear families of at the most a couple and two children. The Huarte House belongs to a group of non-recognised experimental houses of a larger size -and more unconventional familial settings- that lent themselves to greater functional, spatial and interpersonal complexity than their smaller counterparts. The Huarte House represented a turning point in the careers of Corrales and Molezún, capping a first phase that includes their most prominent work: the Institute at Herrera de Pisuerga (1965), the Residence at Miraflores (1958) and the Brussels Pavilion, in its Belgian (1958) and Spanish (1959) version. The project for the Huarte house anticipated strategies which they would apply to later projects: dynamism of the horizontal plane, diagonal visuals, and tangential entrances. It was also the culmination of the evolution of a type of house that Corrales and Molezún had started to investigate ten years earlier. Between 1956 and 1961 they designed four houses (Ramírez Escudero House, Álvarez Mon House, Gómez Acebo House and Cela House) that anticipated the solutions applied and perfected in the Huarte House. Corrales believed that if life was contradictory architecture should be so too. The Huarte House is complex and contradictory. Corrales and Molezún homogenised the project under a bold and attractive image of intersecting volumes. The project appears emphatic thanks to skilful tectonic manoeuvres that conceal the many complexities and contradictions so that they become imperceptible. These manoeuvres confound the image of the house. Under its ceramic blanket of vernacular reminiscences (a mixture of Castilian house and Nordic architecture) lies a technologically advanced piece of architecture. The thesis is organised in four chapters named ‘processes’ in reference to their sequence in the development of the research. These processes are: descriptive process, analytic process, interpretative process and poetic process. After the necessary and introductory descriptive process, the main body of the thesis, which encompasses the analytical, interpretative and poetic processes, develops the argument for incorporating the Huarte House into the experimental category. The thesis addresses the characteristic concepts of a house, from the general to the more specific, divided in four groups: composition, volume and space; the patio: architecture and landscape; the garden: building the horizon and eurythmy: spirit and matter. Molezún was convinced that to get to know a work of architecture it was necessary to draw it. The Huarte House is redrawn in its three main phases: the executive project (march 1965), the finished house (november 1966) and its actual state (2012). The study and analysis centers on the built house, as the actual tri-dimensional manifestation of the project. The graphic documentation of the present state of the house has never been published before and has been made possible by numerous visits to the House facilitated by Jesus Huarte’s daughters who are the current owners. This documentation allows us to determine any alterations of the constructed work and derive the necessary modifications to bring the house back to its original state. The Huarte House is a unique work, one of five single family homes registered by the International Docomomo. Its future is uncertain. It is currently uninhabited and up for sale. The Huarte family has more than delivered on the mission to safeguard its patrimony. It is important to defend its place as a key work of Spanish architecture of the 20th century and so avoid it being forgotten and abandoned.

Sistema de monitorización de sistemas distribuidos

La computación distribuida ha estado presente desde hace unos cuantos años, pero es quizás en la actualidad cuando está contando con una mayor repercusión. En los últimos años el modelo de computación en la nube (Cloud computing) ha ganado mucha popularidad, prueba de ello es la cantidad de productos existentes. Todo sistema informático requiere ser controlado a través de sistemas de monitorización que permiten conocer el estado del mismo, de tal manera que pueda ser gestionado fácilmente. Hoy en día la mayoría de los productos de monitorización existentes limitan a la hora de visualizar una representación real de la arquitectura de los sistemas a monitorizar, lo que puede dificultar la tarea de los administradores. Es decir, la visualización que proporcionan de la arquitectura del sistema, en muchos casos se ve influenciada por el diseño del sistema de visualización, lo que impide ver los niveles de la arquitectura y las relaciones entre estos. En este trabajo se presenta un sistema de monitorización para sistemas distribuidos o Cloud, que pretende dar solución a esta problemática, no limitando la representación de la arquitectura del sistema a monitorizar. El sistema está formado por: agentes, que se encargan de la tarea de recolección de las métricas del sistema monitorizado; un servidor, al que los agentes le envían las métricas para que las almacenen en una base de datos; y una aplicación web, a través de la que se visualiza toda la información. El sistema ha sido probado satisfactoriamente con la monitorización de CumuloNimbo, una plataforma como servicio (PaaS), que ofrece interfaz SQL y procesamiento transaccional altamente escalable sobre almacenes clave valor. Este trabajo describe la arquitectura del sistema de monitorización, y en concreto, el desarrollo de la principal contribución al sistema, la aplicación web. ---ABSTRACT---Distributed computing has been around for quite a long time, but now it is becoming more and more important. In the last few years, cloud computing, a branch of distributed computing has become very popular, as its different products in the market can prove. Every computing system requires to be controlled through monitoring systems to keep them functioning correctly. Currently, most of the monitoring systems in the market only provide a view of the architectures of the systems monitored, which in most cases do not permit having a real view of the system. This lack of vision can make administrators’ tasks really difficult. If they do not know the architecture perfectly, controlling the system based on the view that the monitoring system provides is extremely complicated. The project introduces a new monitoring system for distributed or Cloud systems, which shows the real architecture of the system. This new system is composed of several elements: agents, which collect the metrics of the monitored system; a server, which receives the metrics from the agents and saves them in a database; and a web application, which shows all the data collected in an easy way. The monitoring system has been tested successfully with Cumulonimbo. CumuloNimbo is a platform as a service (PaaS) which offers an SQL interface and a high-scalable transactional process. This platform works over key-value storage. This project describes the architecture of the monitoring system, especially, the development of the web application, which is the main contribution to the system.

La metáfora. Herramienta característica de renovación arquitectónica tras el movimiento moderno

Esta tesis estudia el papel de la metáfora como instrumento arquitectónico en el debate y las propuestas para superar la ortodoxia de la arquitectura moderna a partir de mediados del siglo XX. En arquitectura, la utilización del procedimiento que constituye la metáfora se apoya en una consideración semántica de la arquitectura y se ha usado constantemente a lo largo de la historia para desarrollar nuevas propuestas, basándose en la comparación con modelos conocidos. En este trabajo se examina la notable presencia que adquirió este instrumento en las propuestas críticas a la arquitectura moderna ortodoxa, debido a la importancia que tuvieron los aspectos semánticos en el debate sobre la continuidad y vigencia de los postulados de la arquitectura moderna. Con este estudio se ha indagado sobre las razones y la frecuencia con las que aquellos arquitectos que adoptaron una actitud crítica hacia la arquitectura moderna se refirieron a las relaciones metafóricas en sus propuestas alternativas. Para mostrar cómo las metáforas formaron parte de los mecanismos de cambio de la arquitectura en este periodo, recuperando un mayor potencial creativo para abordar los proyectos arquitectónicos, se han estudiado una serie de ejemplos pertinentes y relevantes. En cada uno de los capítulos se han analizado las objeciones más importantes que fueron planteadas frente a la arquitectura moderna por un arquitecto o grupo de arquitectos, seleccionados entre aquéllos que tomaron parte en este debate, y se estudia la inclusión de la metáfora en las alternativas que propusieron en cada caso. Además de una actitud crítica con la arquitectura moderna, todos los arquitectos seleccionados comparten una consideración semántica de la arquitectura y han expuesto sus ideas y posturas tanto en obras proyectadas y construidas, como en escritos o comentarios sobre su manera de entender y proyectar arquitectura. Esta doble producción ha permitido analizar, comparativamente, el papel de la metáfora en sus enfoques y propuestas críticas y en la realización de sus obras como alternativas a las mismas. Al mismo tiempo, la investigación profundiza en el conocimiento de la utilización de la metáfora como herramienta arquitectónica. A través del recorrido por las distintas maneras de entender este instrumento que pueden observarse en algunos de los arquitectos de la segunda mitad del siglo XX, se exponen tanto las posibilidades como los aspectos más críticos de la utilización de la metáfora en arquitectura. La variada utilización de la noción de metáfora en arquitectura se ve reflejada en las diversas consideraciones que hacen de la misma los arquitectos estudiados. La tesis se ha ocupado de distinguir cada uno de estos enfoques, haciéndose eco de la pluralidad con la que puede abordarse el concepto de metáfora de manera general y en arquitectura en particular. Así, algunos arquitectos del Team 10, la utilizan como un instrumento de ampliación y renovación semántica de la arquitectura moderna, que propone una síntesis de lo viejo y lo nuevo. Para Robert Venturi, se trata de un recurso con capacidad de persuadir y recrear, renovando semánticamente la arquitectura. Charles Jencks considera que es un procedimiento semántico esencial de la arquitectura, olvidado por los arquitectos modernos, cuya recuperación supone un rasgo diferencial de la arquitectura posmoderna respecto a la moderna. Para Aldo Rossi, es una manera de materializar las relaciones analógicas que constituyen su propuesta para proyectar una arquitectura de racionalismo exaltado frente a un racionalismo convencional. Peter Eisenman la valora porque inventa otras arquitecturas diferentes a las preconcebidas anteriormente, a pesar de que rechaza su capacidad representativa y expresiva. Rafael Moneo la utiliza para contraponerse al determinismo, como instrumento de innovación de la forma arquitectónica que construye una dinámica entre la contingencia y la necesidad. Finalmente, para Frank Gehry supone un procedimiento creativo y subjetivo con el que enfrentarse tanto a la arquitectura moderna como a la posmoderna con una arquitectura nueva y abierta a referencias inusuales. De esta manera, a través de los distintos capítulos, el estudio pretende componer un mosaico de posturas que manifieste los vínculos y las diferencias existentes entre estos arquitectos con relación a los temas estudiados: crítica y alternativas a la arquitectura moderna, semántica de la arquitectura, metáfora y otros conceptos relacionados. A su vez, la aparición continuada de la metáfora en los diferentes capítulos, y de los temas con los que está relacionada, manifiesta el protagonismo de esta herramienta arquitectónica en las propuestas de evolución y cambio de la arquitectura del periodo estudiado. ABSTRACT This thesis studies the role of the metaphor as an architectural tool in the debate and proposals to overcome the orthodoxy of modern architecture that took place since the middle part of the Twentieth Century. In architecture, the usage of the process which the metaphor constitutes is based in a semantic consideration of architecture and historically it has been used many times to develop new proposals, always based in the comparison with known models. This work examines the significant presence that this tool acquired in the proposals critical with orthodox modern architecture, due to the importance that the semantic aspects had in the debate on the continuity and validity of modern architecture’s postulates. This study also looks into the motives and frequency that those architects which adopted a critical attitude towards modern architecture alluded to the metaphorical relations in their alternative proposals. To demonstrate how during that period metaphors were imbued in the mechanisms of change of architecture, recovering a higher creative potential to approach architectural projects, a series of pertinent and relevant examples are studied. Each chapter examines the most important objections on modern architecture made by an architect or group of architects, selected among those who participated in this debate, and studies the inclusion of metaphor in the alternatives proposed in each case. Besides a critical attitude towards modern architecture, all the selected architects share a semantic consideration of architecture and have exposed their ideas and postures through projected and finalized works as in writings or commentaries on their way of understanding and projecting architecture. This double production allowed to analyse, in a comparatively manner, the role of metaphor in their approaches and critical proposals as in the execution of their works. At the same time, the research conducted further analyses the body of knowledge on the usage of metaphor as an architectural tool. By looking over the different ways some of the architects of the second half of the Twentieth Century understood this tool, both the possibilities and the most critical aspects of the usage of the metaphor in architecture can be exposed. The various usages of the notion of metaphor in architecture are reflected in the multiple considerations done about it by the selected architects. This thesis differentiates each one of those approaches, echoing the plurality with which the concept of metaphor can be addressed both in broader terms and more particularly in architecture. In this sense, some architects of Team 10 used it as a mean of semantic extension and renewal of modern architecture, proposing a synthesis between the old and the new. For Robert Venturi it is a resource with the capacity to persuade and recreate, semantically renewing architecture. Charles Jencks considers it an essential semantic procedure of architecture, forgotten by the modern architects, and which recovery represents a differential trait of post-modern architecture in relation to modern architecture. For Aldo Rossi, is a way of materializing the analogical relations which represent his proposal to project architecture of exalted rationalism as opposed to a more conventional rationalism. Peter Eisenman values it because it invents other architectures different from the preconceived before, even if he refuses its representational and expressive capacity. Rafael Moneo uses it to counter determinism, as an innovation tool of the architectonical form which generates dynamics between contingency and necessity. Finally, for Frank Gehry it supposes a creative and subjective process to face both modern architecture and post-modern architecture with a new architecture open to unusual references. As such, through its different chapters, this study aims to compose a mosaic of postures which expresses the links and the differences between those architects in relation to the topics examined: criticism and alternatives to modern architecture, semantics of architecture, metaphor and other related concepts. At the same time, the continuous presence of the metaphor in the different chapters, and of the issues it relates to, shows the importance of this tool in the proposals of evolution and change of architecture in the period considered.

Una casa soñada : la casa BC de Gilberto L. Rodríguez

En mi visita a Monterrey con ocasión de dar una conferencia en la Escuela de Arquitectura del prestigioso Tecnológico de Monterrey, dentro de las celebradas por la Cátedra Luis Barragán en este año 2009, tuve ocasión de conocer a un grupo de jóvenes arquitectos mexicanos que, no sólo son muy valiosos sino que además fueron extremadamente generosos conmigo. Gilberto Rodríguez que es uno de ellos, es además el actual encargado de la Cátedra Luis Barragán.

Alma calma

Una vez más Tadao Ando. Una vez más se me pide que escriba sobre Tadao Ando. Y vuelvo a hacerlo muy a gusto, pues sigo pensando que es uno de los arquitectos más preclaros del panorama de la arquitectura del Tercer Milenio en el que ya estamos. Si no el más sereno.

El soplo de un aura suave

El soplo de un aura suave . Sobre el descubrir las claves de la Arquitectura del futuro

El vidrio y la luz en la envolvente contemporánea

Los arquitectos se han sentido progresivamente inclinados a incorporar superficies de vidrio cada vez mayores en sus proyectos de arquitectura, en correspondencia con una percepción socio-cultural del vidrio vinculada al progreso, la contemporaneidad y el bienestar, así como por la versatilidad de este material para expresar aspectos de la identidad del proyecto, establecer comunicación con el entorno y actuar como un escaparate para las tecnologías emergentes. A pesar de esta receptividad para acoger los sistemas tecnológicos más avanzados, la envolvente de vidrio contemporánea muy raramente integra tecnología avanzada para el control de la luz natural. Desde la arquitectura, el proyecto de la luz natural a través de la superficie de vidrio se ha explorado muy escasamente, aún cuando en las últimas tres décadas se haya producido una gran diversidad de soluciones tecnológicas para este propósito. Uno de los motivos principales para esta falta de sinergia es la inconsistencia conceptual que impulsa a los procesos proyectuales de la arquitectura y a los desarrollos tecnológicos para la sostenibilidad. Por un lado, las especificaciones de las tecnologías del control de la luz natural se determinan fundamentalmente desde una perspectiva científica de la eficiencia, que no tiene en consideración otros intereses y preocupaciones arquitectónicos. Por otro lado, la práctica arquitectónica no ha asimilado un pensamiento técnico en torno a la luz natural que lo determine como un agente clave del proceso proyectual, incluso cuando la sostenibilidad se perfile como la fuerza que ha de liderar la arquitectura del futuro y, en este sentido, sea una prioridad absoluta minimizar las consecuencias económicas y ecológicas del impacto negativo del vidrio. Por medio del escrutinio de valores culturales, proyectuales, funcionales y ecológicos, esta tesis aborda el estudio del precario diálogo transdisciplinar entre la evolución de la envolvente de vidrio en la arquitectura contemporánea y el desarrollo de soluciones tecnológicas para el proyecto de la luz natural, e identifica sus principales puntos de divergencia como los temas centrales desde los que proyectar con vidrio en una arquitectura sostenible futura. Desde una perspectiva energética, este ejercicio es un paso crítico para concienciar sobre la gravedad de la situación presente y establecer los cimientos para líneas de intervención esenciales para hacer a ambos mundos converger. Desde la óptica arquitectónica, este estudio representa además de una oportunidad para entender los potenciales proyectuales de estas tecnologías y reflexionar sobre la relación vidrio-luz, un escenario desde el que comprender el estatus incongruente de la sostenibilidad tecnológica en la arquitectura actual, contribuyendo a que se genere una contextualización recíproca entre la investigación en energía y la práctica de la arquitectura futura. ABSTRACT Architects are increasingly demanded to incorporate extensive glazed areas in buildings in correspondence with a socio-cultural perception of glass linked with progress, contemporaneity and welfare, as well as for this material’s versatility to express identity features, establish communication with its environment, and perform as a showroom for emergent technologies. Despite this disposition to take cutting-edge technology in, the contemporary glass envelope very scarcely integrates advanced daylight control technology. From an architectural standpoint, the exploration of the manipulation of natural light through the glass surface has been very swallow, even though a wide range of technical solutions has being produced in the last three decades for this purpose. One of the core issues behind this inconsistency is the lack of established synergy between architectural design processes and sustainable technological developments. From one side, the specifications of daylighting technologies are primarily determined by a scientific perspective of efficiency and disregard fundamental architectural concerns and interests. From another, architectural practice does not conceive sustainable technologies as key active agents in the design process, despite the fact the concept of sustainability is constantly regarded as the driving force of the leading-edge architecture of the future, and in this sense, it becomes an absolute priority to minimize the ecological and economical consequences of glass decisive impact in buildings. Through the scrutiny of cultural, functional and ecological values, this thesis analyses the precarious transdisciplinary dialogue between the evolution of the glass envelope in contemporary architecture and the development of daylighting technological solutions, and identifies the core affairs necessary to a sustainable integration of glass facades into future architecture. From an energy point of view, this exercise is a critical step to raise awareness about the severity of the present situation, and to establish the underpinnings for new lines of intervention essential to make both worlds efficiently converge. Architecturally speaking, in addition to the opportunity to understand the design potentials of these technologies and reflect on the relationship glasslight, this study contributes with a scenario from which generate the reciprocal contextualization of energy building research to future architectural practices.

Prototipo de e-store para un ecosistema y un framework de provisión de servicios

El trabajo realizado se encuentra enmarcado dentro del proyecto de I+D+I del 7o programa marco de la Comisión Europea Fi-WARE: The future Internet core platform que forma parte de la iniciativa Future Internet PPP. En concreto, se ha desarrollado la especificación de un Generic Enabler con funcionalidad de tienda virtual que de soporte a la publicación y adquisición o subscripción de aplicaciones y servicios dentro del denominado Business Framework Ecosystem (BFE), además de una implementación de referencia de este Generic Enabler (GE) que ha sido utilizada para la realización de una prueba de concepto con el objetivo de comprobar la adecuación del comportamiento de la especificación dentro del BFE. La primera tarea realizada ha consistido en un estudio de otras stores (o tiendas digitales) existentes, mirando aspectos tales como la funcionalidad proporcionada, la información mostrada de los distintos productos ofrecidos o la organización de la interfaz de usuario y la metáfora visual. Este estudio ha tenido como objetivo establecer un punto de partida desde el que empezar a analizar las distintas funcionalidades que deberá proveer el sistema.Utilizando como base el estudio anterior y las necesidades concretas de la plataforma Fi-WARE se paso a la educación de los requisitos generales del sistema en los cuales se especifica a grandes rasgos la funcionalidad que debe proveer esta tienda digital así como algunos aspectos concretos de la experiencia de usuario. Una vez definida la funcionalidad de la store se ha abordado el diseño del sistema. Para realizar este diseño se ha trabajado en dos tareas principales: La primera de estas tareas ha consistido en realizar el diseño de la arquitectura del Store GE, en el que se especifican todos los módulos que debe contener el sistema para poder satisfacer los requisitos, así como las distintas conexiones del Store GE con otros componentes del proyecto Fi-Ware y de sus interrelaciones con el resto de componentes de dicho proyecto. Esto ofrece una visión global de la ubicación del Store GE dentro de la arquitectura general del proyecto Fi-Ware. La segunda tarea ha consistido en el desarrollo de la especicación abierta (Open specication) del Store GE. Esta tarea es probablemente la más relevante de cara a cumplir con los objetivos del proyecto Fi-Ware, ya que Fi-Ware se propone como objetivo principal proporcionar las especificaciones de una plataforma tecnológica abierta para la Internet del futuro, formada por un conjunto de componentes (denominados Generic Enablers), entre los que se encuentra el Store GE. En este documento ha quedado descrito con todo detalle en que consiste el Store GE y cuales son sus APIs, sobre las que se construirán las aplicaciones de la futura Internet basadas en Fi-Ware, de manera que sea posible que cualquier empresa pueda realizar una implementación diferente a la que se está desarrollando en este proyecto (si bien ésta será su implementación de referencia). Para esta Open specication se han desarrollado un modelo de gestión de usuarios y roles, un modelo de datos, diagramas de interacción que definen todas las posibles comunicaciones de la store con otros Generic Enablers del proyecto Fi-Ware, la definición del ciclo de vida de una oferta y las APIs REST del Store GE, incluyendo el contenido de las peticiones y los tipos MIME soportados. En este punto se pudo comenzar a trabajar en la implementación de referencia del Store GE. La primera tarea ha consistido en realizar la integración con el Marketplace GE, otro de los Generic Enablers del proyecto Fi-Ware, para ello se definieron unos requisitos específicos y se realizó un diseño de bajo nivel de este móodulo seguido de la propia implementación y un conjunto exhaustivo de pruebas unitarias para comprobar su correcto funcionamiento. A continuación se pasó a realizar la integracióon con el Repository GE siguiendo los mismos pasos que con la integración con el Marketplace GE. La siguiente tarea realizada ha consistido en la realización de los móodulos necesarios para permitir crear nuevas ofertas en la implementación de referencia de Store GE incluyendo nuevamente una fase de educación de requisitos específicos, un diseño de bajo nivel, la propia implementación y una serie de pruebas unitarias. Una vez implementada la creación de nuevas ofertas, se pasó a la realización de la funcionalidad necesaria para la recuperación y visualizacion de estas ofertas así como a la realización del soporte necesario para el registro de recursos y para la vinculación de estos a determinadas ofertas, siguiendo nuevamente la metodología antes mencionada. Finalmente se ha dado el soporte para la publicación y la adquisición de ofertas. En este caso la adquisición de ofertas se ha realizado tan solo en la parte servidora de la aplicación y no se ha llegado a dar soporte a esta funcionalidad en la interfaz Web al no ser necesaria para la realización de la prueba de concepto prevista. No obstante esta funcionalidad será implementada junto con otras funcionalidades como el soporte de características sociales, ya fuera del ámbito de este Trabajo de fin de grado. Como paso previo a la realización de la prueba de concepto se ha trabajado en la plataforma Wirecloud, que es una implementación de referencia del denominado Application Mashup GE, modicando su funcionalidad para integrarla con la API de compras realizada dentro de la implementación de referencia del Store GE. La úultima tarea realizada para este Trabajo de fin de grado ha consistido por fin en la realización de la prueba de concepto del Store GE integrando su implementación de referencia con las del resto de Generic Enablers, lo cual ha permitido comprobar así el fucionamiento de la arquitectura y modelo propuestos.

El cielo sobre el cielo. Sobre el Centro José Guerrero en Granada de Antonio Jiménez Torrecillas

«Recuerdo cómo Kenneth Frampton, que es quizá el más prestigioso crítico de arquitectura del mundo, y profesor de la Universidad de Columbia, en Nueva York, se emocionaba cuando le llevé a visitar el Centro José Guerrero de Antonio Jiménez Torrecillas.»

El Espacio Imaginario

El espacio es uno de los grandes fetiches del Movimiento Moderno. Sobre todo a través de su consideración junto con el tiempo, (el otro gran tema de la modernidad), popularizado por el libro clásico de Giedion "Espacio, Tiempo y Arquitectura". Dejando a un lado los equívocos que este libro plantea, (dado el entusiasmo apologético y legitimador de las corrientes arquitectónicas que rompen radicalmente con el pasado inmediato llevado a cabo por Giedion), lo que permanece al cabo de los años de aquellas páginas apasionadas es la afirmación de una nueva sensibilidad, la aparición de una mirada diferente. La mirada que caracteriza a las vanguardias históricas viene marcada por la desintegración de la totalidad, de la coherencia y de la unidad del universo precedente. La sistematización global del proyecto renacentista y barroco da paso a la exaltación de la fragmentación, el montaje y la yuxtaposición de partes formando un todo ahora incoherente, inconexo, variado y chocante que se ejemplifica perfectamente en la ciudad moderna, en la metrópolis. La mirada que construye la imagen de esta nueva realidad tiene que partir de otros supuestos diferentes de los, hasta entonces, vigentes. Adolf Hildebrand comenzará hablando de la "visión cinética" como el reverso de aquella "visión pura", estática, que caracteriza la mirada tradicional, y que supone la introducción de parámetros significativas en la configuración de la nueva imagen como son la acción y el movimiento del punto de vista. De aquí al espacio-tiempo de Van-Doesburg, la "visión en movimiento" de Moholy-Nagy o el cine no hay más que un paso. Frankl, discípulo de Hildebrand, insistirá en ello para proponer una consideración de la arquitectura, del espacio arquitectónico, estrechamente vinculada a su imagen, y, más concretamente, a una "imagen mental" de la arquitectura que sintetice toda nuestra experiencia, todo el conjunto de imágenes que nuestra indagación por el espacio construido ha ido registrando. Y de aquí a lo "imaginario" ya solo hay una pequeña frontera. Porque lo imaginario se toma, en esta Tesis, en un doble sentido, como algo que no existe de una manera física, tangible y, por lo tanto, no tiene existencia estable, y como representación de la realidad, es decir como imagen. El Lissitzky lo expresará perfectamente en "A. y Pangeometría" cuando al hablar de los distintos espacios que caben en el creación artística termina explicando lo que el denomina "Espacio Imaginario" y que aquí nos sirve de punto de partida para todas las consideraciones desarrolladas en esta Tesis.

Time domain passivity control for delayed teleoperation

La telepesencia combina diferentes modalidades sensoriales, incluyendo, entre otras, la visual y la del tacto, para producir una sensación de presencia remota en el operador. Un elemento clave en la implementación de sistemas de telepresencia para permitir una telemanipulación del entorno remoto es el retorno de fuerza. Durante una telemanipulación, la energía mecánica es transferida entre el operador humano y el entorno remoto. En general, la energía es una propiedad de los objetos físicos, fundamental en su mutual interacción. En esta interacción, la energía se puede transmitir entre los objetos, puede cambiar de forma pero no puede crearse ni destruirse. En esta tesis, se aplica este principio fundamental para derivar un nuevo método de control bilateral que permite el diseño de sistemas de teleoperación estables para cualquier arquitectura concebible. El razonamiento parte del hecho de que la energía mecánica insertada por el operador humano en el sistema debe transferirse hacia el entorno remoto y viceversa. Tal como se verá, el uso de la energía como variable de control permite un tratamiento más general del sistema que el control convencional basado en variables específicas del sistema. Mediante el concepto de Red de Potencia de Retardo Temporal (RPRT), el problema de definir los flujos de energía en un sistema de teleoperación es solucionado con independencia de la arquitectura de comunicación. Como se verá, los retardos temporales son la principal causa de generación de energía virtual. Este hecho se observa con retardos a partir de 1 milisegundo. Esta energía virtual es añadida al sistema de forma intrínseca y representa la causa principal de inestabilidad. Se demuestra que las RPRTs son transportadoras de la energía deseada intercambiada entre maestro y esclavo pero a la vez generadoras de energía virtual debido al retardo temporal. Una vez estas redes son identificadas, el método de Control de Pasividad en el Dominio Temporal para RPRTs se propone como mecanismo de control para asegurar la pasividad del sistema, y as__ la estabilidad. El método se basa en el simple hecho de que esta energía virtual debido al retardo debe transformarse en disipación. As__ el sistema se aproxima al sistema deseado, donde solo la energía insertada desde un extremo es transferida hacia el otro. El sistema resultante presenta dos cualidades: por un lado la estabilidad del sistema queda garantizada con independencia de la arquitectura del sistema y del canal de comunicación; por el otro, el rendimiento es maximizado en términos de fidelidad de transmisión energética. Los métodos propuestos se sustentan con sistemas experimentales con diferentes arquitecturas de control y retardos entre 2 y 900 ms. La tesis concluye con un experimento que incluye una comunicación espacial basada en el satélite geoestacionario ASTRA. ABSTRACT Telepresence combines different sensorial modalities, including vision and touch, to produce a feeling of being present in a remote location. The key element to successfully implement a telepresence system and thus to allow telemanipulation of a remote environment is force feedback. In a telemanipulation, mechanical energy must convey from the human operator to the manipulated object found in the remote environment. In general, energy is a property of all physical objects, fundamental to their mutual interactions in which the energy can be transferred among the objects and can change form but cannot be created or destroyed. In this thesis, we exploit this fundamental principle to derive a novel bilateral control mechanism that allows designing stable teleoperation systems with any conceivable communication architecture. The rationale starts from the fact that the mechanical energy injected by a human operator into the system must be conveyed to the remote environment and Vice Versa. As will be seen, setting energy as the control variable allows a more general treatment of the controlled system in contrast to the more conventional control of specific systems variables. Through the Time Delay Power Network (TDPN) concept, the issue of defining the energy flows involved in a teleoperation system is solved with independence of the communication architecture. In particular, communication time delays are found to be a source of virtual energy. This fact is observed with delays starting from 1 millisecond. Since this energy is added, the resulting teleoperation system can be non-passive and thus become unstable. The Time Delay Power Networks are found to be carriers of the desired exchanged energy but also generators of virtual energy due to the time delay. Once these networks are identified, the Time Domain Passivity Control approach for TDPNs is proposed as a control mechanism to ensure system passivity and therefore, system stability. The proposed method is based on the simple fact that this intrinsically added energy due to the communication must be transformed into dissipation. Then the system becomes closer to the ambitioned one, where only the energy injected from one end of the system is conveyed to the other one. The resulting system presents two benefits: On one hand, system stability is guaranteed through passivity independently from the chosen control architecture and communication channel; on the other, performance is maximized in terms of energy transfer faithfulness. The proposed methods are sustained with a set of experimental implementations using different control architectures and communication delays ranging from 2 to 900 milliseconds. An experiment that includes a communication Space link based on the geostationary satellite ASTRA concludes this thesis.

Arquitecto, obra y método. Análisis comparado de diferentes estrategias metodológicas singulares de la creación arquitectónica contemporánea

La tesis se acerca a la cuestión del método en arquitectura focalizando su análisis principalmente en 5 obras concretas del panorama contemporáneo, tratando de desvelar las motivaciones últimas que las constituyen. El objeto y la obra arquitectónica se consideran así los elementos susceptibles de ofrecer el conocimiento material que permite desentrañar el modo y la metodología por el que éstos han sido concebidos. Con esta particular aproximación se desafían los tradicionales estudios que han comprendido al método como una sistemática universal o reglada, ya que en este caso el propósito consiste más bien en esclarecer los fundamentos y principios que subyacen a cada objeto arquitectónico más específico. Este hecho ha llevado al índice de la tesis a ordenarse según una lista de arquitectos y obras que no presentan otra particularidad que la de ser recientes y muy diferentes entre sí. Esta aparente arbitrariedad con la que las obras se eligen cobra sentido a lo largo del propio análisis y recorrido, ya que éste apuesta por recabar el suficiente contenido que diversifique y singularice cada elección, de tal modo que ya en sí, ésta obtenga rango paradigmático. El hecho de que la tesis evite los planteamientos totalitarios no quiere decir que trate de promover el relativismo de las diferentes opciones, dado que más bien pretende analizar hasta el fondo las cuestiones últimas y lo más valioso que cada opción representa. Por su parte, la conclusión de la tesis muestra una complementariedad al carácter específico de los capítulos previos, ya que ésta se atreve a avanzar con cierta voluntad conclusiva hacia la definición de los principios más sustanciales del método en arquitectura hoy. Y precisamente, una de las claves esenciales que ha mostrado la arquitectura del hoy que nos toca vivir consiste en la condición más específica de la obra arquitectónica misma por encima de cualquier connotación genérica o transcendente que ésta pueda sugerir. De tal modo que los arquitectos elegidos, por muy diferentes que aparentan ser, han tomado como punto de partida la condición objetual de la obra más allá de cualquier contenido ideal que a ésta pueda adscribírsele. En todos los casos, si bien de diferente manera, la obra arquitectónica en sí misma se ha constituido en una nueva clave en la que tratan de dirimirse las eternas dialécticas entre el objeto y su significado, entre la estructura conceptual y su connotación simbólica. De este modo, las dialécticas relativas a la unidad de la diversidad, la identidad de la multiplicidad, la síntesis que pretende la integración de lo complejo, o en su caso, la indispensable sostenibilidad de lo inconsistente, se han convertido en la temática principal de este análisis que ha comprendido al método a partir la misma paradoja por la que la arquitectura actual se ve afectada. La misma dialéctica imposible de resolver que ha conducido a la arquitectura más reciente a decantarse a favor de la consustancialidad intrínseca a la misma obra. La tesis por su parte también se ha focalizado en la obra y en el hecho arquitectónico puntual, siguiendo la tendencia de la misma arquitectura que se analizaba. Sin embargo, sus extensos análisis nos han llevado a desentrañar el sentido y la posición estratégica personal que se encuentra más allá de la exacerbación inmanente de la arquitectura de estos últimos años. Es decir, tal y como se ha insistido, el análisis de la obra nos ha llevado, a través de la pregunta por su método, al arquitecto que la ha proyectado. Y así se ha creado este triángulo trinitario, ‘Arquitecto, obra y método’, tratando de preguntarse hasta el final por la singularidad más específica del método de cada arquitecto, en el convencimiento de que método y obra se vinculan precisamente ahí, en las experiencias personales singulares que han posibilitado las mayores creaciones y más sustantivas novedades. ABSTRACT This thesis approaches the question of Method in architecture by focusing its analysis on 5 specific contemporary projects, trying to unveil their underlying constitutive motivations. Thus, architectonical object and work are considered the susceptible elements that provide the material knowledge that unravels the manner and the methodology by which they were conceived. With this particular approach, this thesis challenges other traditional studies, those that regard the Method in architecture as a regulated or universal systematic procedure. On the contrary, the purpose of this thesis is to clarify the foundations and principles that underlie each specific architectonical object. This has led to the ordering of the thesis index according to a list of architects and projects that do not present any other distinctiveness except that they are recent and very different to each other. However, this apparent arbitrariness of the choice of each architect becomes meaningful during its analytical development. This analysis attempts to seek out the content which diversifies each choice enough, and makes it singular enough, so that each selected candidate acquires paradigmatic range by itself. Therefore, the fact that the thesis avoids totalitarian approaches does not lead it to promote the relativism of different choices, but rather the thesis tries to thoroughly analyze the most valuable achievements of each option. Nonetheless, the conclusion of the thesis shows a position that complements the specific character of the previous chapters, since it dares to move forward conclusively towards the definition of the essential principles of the Method in architecture today. Indeed, the thesis shows one of the basic keys of today’s architecture, which is the specific condition of the architectural work itself above any generic or transcendental connotation. Thus, the selected architects, however different they appear to be, take the objectual condition of the work (thingness) as their starting point beyond any ideal content that might be ascribed to their architecture. Although differently, in each case the architectonical work itself has become the new indispensable key to deal with the eternal dialectics between the object and its meaning, between conceptual structure and its symbolic connotation. Thus, the dialectics between unity and diversity, the identity of multiplicity, the synthesis that aims at the integration of complexity, or even, the indispensable consistency of the unavoidable inconsistency, have all become the main themes of this analysis, an analysis that understands the issue of Method from the same paradoxical situation of today’s architecture. This is the same paradox which has led the latest architecture to align itself with the intrinsic consubstantiality of the architectonical work itself. Therefore, the thesis is also focused on the Work, on the specific architectonical fact, following the course of the same architecture that it analyses. However, extensive analyses of the thesis have led us to clarify the sense and personal strategic position that is beyond the immanent exacerbation of architecture in recent years. Therefore, as stressed throughout the text, the analysis, that has explored the Method of architectonical Work, has led us to the architect who conceived it. Thus, this trinitarian triangle, ‘Architect, Work and Method’, has been created, attempting to explore in depth the specific uniqueness of each architect’s method, convinced that Method and Work do actually connect in the singular experiences that have achieved the greatest and most substantial creations.