Design Strategies and Modelling of Low-Power Sigma-Delta Analog-to-Digital Converters

Oggi, i dispositivi portatili sono diventati la forza trainante del mercato consumer e nuove sfide stanno emergendo per aumentarne le prestazioni, pur mantenendo un ragionevole tempo di vita della batteria. Il dominio digitale è la miglior soluzione per realizzare funzioni di elaborazione del segnale, grazie alla scalabilità della tecnologia CMOS, che spinge verso l'integrazione a livello sub-micrometrico. Infatti, la riduzione della tensione di alimentazione introduce limitazioni severe per raggiungere un range dinamico accettabile nel dominio analogico. Minori costi, minore consumo di potenza, maggiore resa e una maggiore riconfigurabilità sono i principali vantaggi dell'elaborazione dei segnali nel dominio digitale. Da più di un decennio, diverse funzioni puramente analogiche sono state spostate nel dominio digitale. Ciò significa che i convertitori analogico-digitali (ADC) stanno diventando i componenti chiave in molti sistemi elettronici. Essi sono, infatti, il ponte tra il mondo digitale e analogico e, di conseguenza, la loro efficienza e la precisione spesso determinano le prestazioni globali del sistema. I convertitori Sigma-Delta sono il blocco chiave come interfaccia in circuiti a segnale-misto ad elevata risoluzione e basso consumo di potenza. I tools di modellazione e simulazione sono strumenti efficaci ed essenziali nel flusso di progettazione. Sebbene le simulazioni a livello transistor danno risultati più precisi ed accurati, questo metodo è estremamente lungo a causa della natura a sovracampionamento di questo tipo di convertitore. Per questo motivo i modelli comportamentali di alto livello del modulatore sono essenziali per il progettista per realizzare simulazioni veloci che consentono di identificare le specifiche necessarie al convertitore per ottenere le prestazioni richieste. Obiettivo di questa tesi è la modellazione del comportamento del modulatore Sigma-Delta, tenendo conto di diverse non idealità come le dinamiche dell'integratore e il suo rumore termico. Risultati di simulazioni a livello transistor e dati sperimentali dimostrano che il modello proposto è preciso ed accurato rispetto alle simulazioni comportamentali.

Performance Comparison of MATLAB and Neuro Solution Software on Estimation of Fuel Economy by Using Artificial Neural Network

In the world, scientific studies increase day by day and computer programs facilitate the human’s life. Scientists examine the human’s brain’s neural structure and they try to be model in the computer and they give the name of artificial neural network. For this reason, they think to develop more complex problem’s solution. The purpose of this study is to estimate fuel economy of an automobile engine by using artificial neural network (ANN) algorithm. Engine characteristics were simulated by using “Neuro Solution” software. The same data is used in MATLAB to compare the performance of MATLAB is such a problem and show its validity. The cylinder, displacement, power, weight, acceleration and vehicle production year are used as input data and miles per gallon (MPG) are used as target data. An Artificial Neural Network model was developed and 70% of data were used as training data, 15% of data were used as testing data and 15% of data is used as validation data. In creating our model, proper neuron number is carefully selected to increase the speed of the network. Since the problem has a nonlinear structure, multi layer are used in our model.

Използване на системата MATLAB в техническите университети

Mihail Konstantinov, Vladimir Todorov, Galina Pelova, Juliana Boneva - We consider some aspect of the mathematical education in technical universities using MATLAB. Special attention is paid to the subjects Analytical Geometry and Differential Equations.

Numerical Issues in Using MATLAB

Михаил Константинов, Весела Пашева, Петко Петков - Разгледани са някои числени проблеми при използването на компютърната система MATLAB в учебната дейност: пресмятане на тригонометрични функции, повдигане на матрица на степен, спектрален анализ на целочислени матрици от нисък ред и пресмятане на корените на алгебрични уравнения. Причините за възникналите числени трудности могат да се обяснят с особеностите на използваната двоичната аритметика с плаваща точка.

Interactive Stepwise Discriminant Analysis in Matlab

2000 Mathematics Subject Classification: 62-04, 62H30, 62J20

Design, development and control of a new generation high performance linear actuator for parallel robots and other applications

The main focus of this research is to design and develop a high performance linear actuator based on a four bar mechanism. The present work includes the detailed analysis (kinematics and dynamics), design, implementation and experimental validation of the newly designed actuator. High performance is characterized by the acceleration of the actuator end effector. The principle of the newly designed actuator is to network the four bar rhombus configuration (where some bars are extended to form an X shape) to attain high acceleration. Firstly, a detailed kinematic analysis of the actuator is presented and kinematic performance is evaluated through MATLAB simulations. A dynamic equation of the actuator is achieved by using the Lagrangian dynamic formulation. A SIMULINK control model of the actuator is developed using the dynamic equation. In addition, Bond Graph methodology is presented for the dynamic simulation. The Bond Graph model comprises individual component modeling of the actuator along with control. Required torque was simulated using the Bond Graph model. Results indicate that, high acceleration (around 20g) can be achieved with modest (3 N-m or less) torque input. A practical prototype of the actuator is designed using SOLIDWORKS and then produced to verify the proof of concept. The design goal was to achieve the peak acceleration of more than 10g at the middle point of the travel length, when the end effector travels the stroke length (around 1 m). The actuator is primarily designed to operate in standalone condition and later to use it in the 3RPR parallel robot. A DC motor is used to operate the actuator. A quadrature encoder is attached with the DC motor to control the end effector. The associated control scheme of the actuator is analyzed and integrated with the physical prototype. From standalone experimentation of the actuator, around 17g acceleration was achieved by the end effector (stroke length was 0.2m to 0.78m). Results indicate that the developed dynamic model results are in good agreement. Finally, a Design of Experiment (DOE) based statistical approach is also introduced to identify the parametric combination that yields the greatest performance. Data are collected by using the Bond Graph model. This approach is helpful in designing the actuator without much complexity.

Studio del modello Augmented Worlds per l'ingegneria di sistemi software basati su realtà aumentata: esplorazioni basate su Unity e Android

Negli ultimi anni il crescere della capacità di calcolo dei dispositivi e il diminuire delle loro dimensioni ha permesso di far nascere idee innovative e di esplorare più in dettaglio alcuni settori. Uno di questi è sicuramente quello della realtà aumentata (Augmented reality), infatti, la discussione su questo argomento nasce già negli anni 40 del novecento, ma, per mancanza di mezzi tecnologici adeguati, solo ora si iniziano a realizzare le prime applicazioni che si basano su questa idea e il grande pubblico inizia ad interessarsi all'argomento. La costruzione di applicazioni di realtà aumentata, al momento, è basata sull'utilizzo di alcuni framework che mettono a disposizione dello sviluppatore alcune funzioni molto comuni in questi software, come il tracking di marker e l'utilizzo di bottoni virtuali. Questi strumenti, seppur comodi, non garantiscono sempre la buona progettazione dell'applicazione e tendono a unire insieme parti di logica applicativa e di grafica. Per questo motivo, anche nella ricerca, si stanno cercando di studiare dei metodi in grado di permettere una divisione ottimale dei compiti in modo da ottenere un software riusabile e facilmente mantenibile, ma che permetta anche di sfruttare appieno le potenzialità dell'AR attraverso, per esempio, sistemi distribuiti. Un framework concettuale che rientra in questa categoria è sicuramente quello degli Augmented Worlds, mondi virtuali collegati a quello fisico che ne incrementano le caratteristiche e le possibilità tramite la presenza di entità aumentate. La tesi, quindi, si propone di sviluppare un prototipo di un framework con le caratteristiche sopra citate di estendibilità, utilizzando le piattaforme in questo momento a disposizione e ispirandosi alla visione degli Augmented Worlds.

Valutazione delle prestazioni di reti ad accesso multiplo basate su visible light communication

Nella società odierna, le telecomunicazioni costituiscono un’esigenza fondamentale della vita quotidiana. Difatti, il mercato della ICT (Information and Communications Technology) è in costante espansione, e viene accompagnato da un rapido sviluppo di nuove tecnologie. In particolare, si assiste a un sempre più rilevante ruolo svolto dalle comunicazioni ottiche, ovvero sfruttanti la luce: in questo contesto, il quale comprende diversi rami ingegneristici, si stanno progressivamente affermando nuove forme di comunicazione basate sulla luce visibile, la cosiddetta Visible Light Communication (VLC). Con questa Tesi ci si propone di implementare con Simulink e stateflow di Matlab il livello MAC (Medium Access Control), basato sullo standard IEEE 802.15.7 per le VLC e valutarne le prestazioni. Prescinde da questa Tesi la parte di implementazione su scheda stessa che è lasciata per sviluppi futuri. Nel capitolo uno si introducono le VLC e si discutono i principali scenari attuali dove possono diffondersi. Nel capitolo 2, si mostrano le principali linee guida afferenti agli standard che sono risultate necessarie per sviluppare lo strato MAC. Nei capitoli 3 e 4 si mostra come il layer sviluppato possa essere utilizzato in due principali situazioni: nel capitolo 3 è descritta la realizzazione di una comunicazione punto-punto, ovvero con un trasmettitore e un ricevitore; nel capitolo 4 è descritta l’implementazione di una rete di nodi, ambito in cui il livello MAC risulta indispensabile. Per ognuna delle situazioni si illustrano scelte e caratteristiche dei sistemi simulati e i risultati ottenuti, cercando di coprire diverse eventualità che intercorrono, più in generale, nella gestione e implementazione di sistemi di telecomunicazione wireless.

Analisi della propagazione elettrica nel tessuto cardiaco mediante simulazione numerica implementata su GPU

Il segnale elettrico si propaga nel tessuto cardiaco attraverso gap-junctions che si trovano tra i miociti cardiaci e in ciascuno di essi si avvia un processo chiamato potenziale d'azione (PA). In questa tesi prenderò in considerazione il modello Luo-Rudy 1991 e il difetto oggetto di studio sono le Early Afterdepolarizations (EADs). Si analizzerà la propagazione del potenziale d’azione in un cavo di 300 cellule. Dopo alcune simulazioni preliminari è emersa l’utilità di trovare una soluzione che permettesse di ridurre i tempi di calcolo, il modello è stato quindi implementato in CUDA. Il lavoro è stato sviluppato nei seguenti step: 1) l’impiego dell’ambiente di calcolo MATLAB per implementare il modello, descrivendo ogni cellula attraverso il modello Luo-Rudy 1991 e l’interazione elettrica inter-cellulare, considerando un cavo di 300 cellule; 2) individuazione dei parametri che, adeguatamente modificati, sono in grado di indurre EADs a livello single cell; 3) implementazione del modello in CUDA, creando uno strumento che potrà essere utilizzato per aumentare notevolmente il numero delle simulazioni nell’unità di tempo; 4) messa a punto di un criterio per valutare in modo conciso la bontà (safety factor) della relazione source-sink. L’utilità di un simile criterio è quella di valutare, sia nel caso di propagazione di AP che in quello di eventuale propagazione di EADs, la propensione alla propagazione in un tessuto. Il primo capitolo descriverà il potenziale d’azione, il modello usato e la teoria del cavo. Il secondo capitolo discuterà l’implementazione del modello usato, descriverà CUDA e come il modello sia stato implementato. Il terzo capitolo riguarderà i primi risultati ottenuti dalle simulazioni e come la variazione dei parametri influisce sulla forma delle EADs. L’ultimo capitolo approfondirà i requisiti necessari per far avvenire una propagazione in un cavo.

Simulazione della bradicinesia in soggetti parkinsoniani attraverso modello neurale

I Gangli della Base svolgono un ruolo molto importante nel movimento volontario, ovvero nel meccanismo di azione-selezione, e la loro influenza è evidente soprattutto in alcune patologie che ancora ad oggi sono in fase di studio: una di queste è il Morbo di Parkinson. I Gangli della Base comprendono quattro formazioni nervose: lo striato, il globus pallidus, la substantia nigra e il nucleo subtalamico: essi ricevono le principali afferenze dalla corteccia cerebrale ed inviano le principali efferenze al tronco dell’encefalo, e, per mezzo del talamo, alle corteccia prefrontale, premotoria e motrice. A differenza della maggior parte delle altre componenti dei sistemi motori, i Gangli della Base non stabiliscono direttamente né connessioni afferenti, né efferenti con il midollo spinale. Il compito principale svolto dai Gangli dDella Base è la selezione di un’azione: esso permette ad un’azione di essere selezionata rispetto ad un’altra, che in questo modo viene inibita. La descrizione dell’anatomia, dei meccanismi fisiologici e del Morbo di Parkinson è trattata nel Capitolo 1. In questo elaborato è utilizzato il modello computazionale di Mauro Ursino e Chiara Baston, che sarà illustrato dettagliatamente nel Capitolo 2, riguardante il meccanismo di azione-selezione svolto dai Gangli della Base. E’ descritto un sistema di valutazione di un paziente parkinsoniano, il tapping test: esso consiste in un movimento alternato del dito e ad oggi risulta essere uno dei metodi più semplici per ottenere informazioni sulla gravità della bradicinesia. L’obiettivo di questo lavoro è quello di comprendere, tramite l’analisi di simulazioni effettuate per mezzo del modello computazionale di Mauro Ursino e Chiara Baston, come la frequenza di tapping dipenda dal variare di alcuni parametri delle equazioni del modello: gli effetti dovuti alla variazione di un singolo parametro o più di uno, saranno mostrati nel Capitolo 3.

Assimilazione dati di precipitazione in un modello meteorologico ad alta risoluzione (MOLOCH): sviluppo ed applicazione alla previsione di eventi intensi in Liguria

L'Italia è spesso sede di eventi d'intensa precipitazione, frequentemente associati ad alluvioni con conseguente perdita di vite umane e gravi danni economici. È quindi di fondamentale importanza poter prevedere questi eventi con un adeguato anticipo. Allo stato attuale, i modelli meteorologici non permettono sempre di raggiungere tale obbiettivo e, di conseguenza, è in atto un'intensa attività di ricerca al fine di di renderne più accurata la previsione, sia attraverso il miglioramento dei modelli stessi, sia sviluppando l'assimilazione dati, la quale riduce l'incertezza della condizione iniziale da cui parte la previsione. All'interno di questo contesto, la tesi si prefigge l'obiettivo di studiare gli effetti dell'assimilazione di dati di precipitazione, effettuata mediante uno schema di nudging, nel modello non idrostatico MOLOCH. Al fine di ottimizzare lo schema e di valutarne l'impatto, sono stati simulati tutti gli eventi di maltempo di ottobre e novembre del 2014 che hanno interessato la Liguria, area frequentemente soggetta ad alluvioni. Dalla sistematica verifica dei risultati, effettuata sia qualitativamente che mediante numerosi metodi statistici (tra cui la tecnica SAL basata sull'individuazione dei nuclei di precipitazione), si riscontra un generale miglioramento della previsione della precipitazione anche se limitato alle prime ore dopo la fine del periodo di assimilazione. L'impatto dello schema di nudging varia a seconda dell'evento e, in particolare, si osserva una certa correlazione tra il miglioramento ottenuto e la tipologia di evento, come descritto dalla teoria dell'equilibrio convettivo e come riportato in alcuni studi analoghi recentemente comparsi in letteratura. La ricaduta del miglioramento della previsione meteorologica è stata valutata anche in termini di impatti al suolo accoppiando il modello meteorologico con il modello idrologico utilizzato dal Centro Funzionale della Regione Liguria, con risultati abbastanza positivi.

La termografia come strumento per la caratterizzazione costruttiva delle pareti murarie: un'esperienza di laboratorio condotta su un modello dal vero

Il lavoro svolto si concentra sulla termografia attiva e su come essa possa essere usata come tecnica diagnostica non distruttiva. La sperimentazione ha visto la realizzazione di un modello di prova consisntente in una porzione di muro a forma di c costituito da mattoni pieni, intonacato solo su un lato. Attraverso il riscaldamento della porzione intonacata e tramite l'utilizzo di termocoppie sono state monitorate le temperature superficiali interne ed esterne e dell'ambiente interno ed esterno. In fase di raffreddamento il monitoraggio è stato implementato dalle riprese termografiche effettuate ad istanti di tempo regolari, riprendendo la superficie intonacata e riscaldata. Elaborando le immagini è stato possibile individuare sia la tessitura muraria che la discontinuità inserita in fase di costruzione. Per avere una verifica è stato realizzato, tramite un software, un modello bidimensionale dell'elemento studiato, ed è stato studiato il raffreddamento in condizioni dinamiche. Si osserva che i risultati ottenuti sono qualitativamente opposti a quelli riscontrati dalle immagini della sperimentazione, uno dei motivo può essere attribuito all'alta tridimensionalità del problema reale che il modello non tiene in considerazione.

Il nuovo modello di calcolo CEN per la determinazione dell'isolamento acustico degli edifici: analisi critica e applicazione ad un caso studio.

L'obiettivo del presente studio è l'indagine del comportamento acustico di edifici in legno, vista la loro crescente diffusione in Italia. Il lavoro analizza le potenzialità del nuovo metodo trattato nell'aggiornamento della normativa UNI EN 12354 e si propone come caso di sperimentazione del nuovo modello di calcolo per la valutazione prestazionale acustica di un edificio in legno. A supporto dell'analisi della normativa, viene presentato il caso studio di un edificio residenziale in legno che presenta tutti gli elementi oggetto di discussione nello sviluppo normativo. La validazione del modello di calcolo è stata effettuata tramite il confronto dei risultati ottenuti con i dati raccolti precedentemente da misurazioni in opera sull'edificio in esame.

Fitting model-based psychometric functions to simultaneity and temporal-order judgment data: MATLAB and R routines

Research on temporal-order perception uses temporal-order judgment (TOJ) tasks or synchrony judgment (SJ) tasks in their binary SJ2 or ternary SJ3 variants. In all cases, two stimuli are presented with some temporal delay, and observers judge the order of presentation. Arbitrary psychometric functions are typically fitted to obtain performance measures such as sensitivity or the point of subjective simultaneity, but the parameters of these functions are uninterpretable. We describe routines in MATLAB and R that fit model-based functions whose parameters are interpretable in terms of the processes underlying temporal-order and simultaneity judgments and responses. These functions arise from an independent-channels model assuming arrival latencies with exponential distributions and a trichotomous decision space. Different routines fit data separately for SJ2, SJ3, and TOJ tasks, jointly for any two tasks, or also jointly for the three tasks (for common cases in which two or even the three tasks were used with the same stimuli and participants). Additional routines provide bootstrap p-values and confidence intervals for estimated parameters. A further routine is included that obtains performance measures from the fitted functions. An R package for Windows and source code of the MATLAB and R routines are available as Supplementary Files.