Modelling and Simulation of Moored Devices for Ocean Currents Energy Harnessing

The main objective of this paper is the presentation of modelling solutions off loating devices that can be used for harnessing energy from ocean currents. It has been structured into three main parts. First, the growing current interest in marine renewable energy in general, and in extracting energy from currents in particular, is presented, showing the large number of solutions that are emerging and some of the most significant types. GESMEY generator is presented in second section. It is based on a new concept that has been patented by the Universidad Politécnica de Madrid and which is currently being developed through a collaborative agreement with the SOERMAR Foundation. The main feature of this generator is that on operation is fully submerged, and no other facilities are required to move to floating state for maintenance, which greatly increases its performance. Third part of the article is devoted to present the modelling and simulation challenges that arise in the development of devices for harnessing the energy of marine currents, along with some solutions which have been adopted within the frame of the GESMEY Project, making particular emphasis on the dynamics of the generator and its control

Fluid-physics-module experiments

Some floating-liquid-zone experiments performed under reduced-gravity conditions are reviewed. Several types of instabilities are discussed, together with the relevant parameters controlling them. It is shown that the bounding values of these parameters could be increased, by orders of magnitude in several instances, by selecting appropriate liquids. Two of the many problems that a Fluid-Physics Module, devised to perform experiments on floating zones in a space laboratory, would involve are discussed: namely (i) procedures for disturbing the zoneunder controlled conditions, and (ii) visualisation of the inner flow pattern. Several topics connected with the nonisothermal nature and the phase-changes of floating zones are presented. In particular, a mode of propagation through the liquid zone for disturbances which could appear in the melting solid/liquid interface is suggested. Although most research on floating liquid zones is aimed at improving the crystal-growth process, some additional applications are suggested.

On-Chip Thermal Monitoring: Design, Placement and Interconnection of Temperature Sensors

La temperatura es una preocupación que juega un papel protagonista en el diseño de circuitos integrados modernos. El importante aumento de las densidades de potencia que conllevan las últimas generaciones tecnológicas ha producido la aparición de gradientes térmicos y puntos calientes durante el funcionamiento normal de los chips. La temperatura tiene un impacto negativo en varios parámetros del circuito integrado como el retardo de las puertas, los gastos de disipación de calor, la fiabilidad, el consumo de energía, etc. Con el fin de luchar contra estos efectos nocivos, la técnicas de gestión dinámica de la temperatura (DTM) adaptan el comportamiento del chip en función en la información que proporciona un sistema de monitorización que mide en tiempo de ejecución la información térmica de la superficie del dado. El campo de la monitorización de la temperatura en el chip ha llamado la atención de la comunidad científica en los últimos años y es el objeto de estudio de esta tesis. Esta tesis aborda la temática de control de la temperatura en el chip desde diferentes perspectivas y niveles, ofreciendo soluciones a algunos de los temas más importantes. Los niveles físico y circuital se cubren con el diseño y la caracterización de dos nuevos sensores de temperatura especialmente diseñados para los propósitos de las técnicas DTM. El primer sensor está basado en un mecanismo que obtiene un pulso de anchura variable dependiente de la relación de las corrientes de fuga con la temperatura. De manera resumida, se carga un nodo del circuito y posteriormente se deja flotando de tal manera que se descarga a través de las corrientes de fugas de un transistor; el tiempo de descarga del nodo es la anchura del pulso. Dado que la anchura del pulso muestra una dependencia exponencial con la temperatura, la conversión a una palabra digital se realiza por medio de un contador logarítmico que realiza tanto la conversión tiempo a digital como la linealización de la salida. La estructura resultante de esta combinación de elementos se implementa en una tecnología de 0,35 _m. El sensor ocupa un área muy reducida, 10.250 nm2, y consume muy poca energía, 1.05-65.5nW a 5 muestras/s, estas cifras superaron todos los trabajos previos en el momento en que se publicó por primera vez y en el momento de la publicación de esta tesis, superan a todas las implementaciones anteriores fabricadas en el mismo nodo tecnológico. En cuanto a la precisión, el sensor ofrece una buena linealidad, incluso sin calibrar; se obtiene un error 3_ de 1,97oC, adecuado para tratar con las aplicaciones de DTM. Como se ha explicado, el sensor es completamente compatible con los procesos de fabricación CMOS, este hecho, junto con sus valores reducidos de área y consumo, lo hacen especialmente adecuado para la integración en un sistema de monitorización de DTM con un conjunto de monitores empotrados distribuidos a través del chip. Las crecientes incertidumbres de proceso asociadas a los últimos nodos tecnológicos comprometen las características de linealidad de nuestra primera propuesta de sensor. Con el objetivo de superar estos problemas, proponemos una nueva técnica para obtener la temperatura. La nueva técnica también está basada en las dependencias térmicas de las corrientes de fuga que se utilizan para descargar un nodo flotante. La novedad es que ahora la medida viene dada por el cociente de dos medidas diferentes, en una de las cuales se altera una característica del transistor de descarga |la tensión de puerta. Este cociente resulta ser muy robusto frente a variaciones de proceso y, además, la linealidad obtenida cumple ampliamente los requisitos impuestos por las políticas DTM |error 3_ de 1,17oC considerando variaciones del proceso y calibrando en dos puntos. La implementación de la parte sensora de esta nueva técnica implica varias consideraciones de diseño, tales como la generación de una referencia de tensión independiente de variaciones de proceso, que se analizan en profundidad en la tesis. Para la conversión tiempo-a-digital, se emplea la misma estructura de digitalización que en el primer sensor. Para la implementación física de la parte de digitalización, se ha construido una biblioteca de células estándar completamente nueva orientada a la reducción de área y consumo. El sensor resultante de la unión de todos los bloques se caracteriza por una energía por muestra ultra baja (48-640 pJ) y un área diminuta de 0,0016 mm2, esta cifra mejora todos los trabajos previos. Para probar esta afirmación, se realiza una comparación exhaustiva con más de 40 propuestas de sensores en la literatura científica. Subiendo el nivel de abstracción al sistema, la tercera contribución se centra en el modelado de un sistema de monitorización que consiste de un conjunto de sensores distribuidos por la superficie del chip. Todos los trabajos anteriores de la literatura tienen como objetivo maximizar la precisión del sistema con el mínimo número de monitores. Como novedad, en nuestra propuesta se introducen nuevos parámetros de calidad aparte del número de sensores, también se considera el consumo de energía, la frecuencia de muestreo, los costes de interconexión y la posibilidad de elegir diferentes tipos de monitores. El modelo se introduce en un algoritmo de recocido simulado que recibe la información térmica de un sistema, sus propiedades físicas, limitaciones de área, potencia e interconexión y una colección de tipos de monitor; el algoritmo proporciona el tipo seleccionado de monitor, el número de monitores, su posición y la velocidad de muestreo _optima. Para probar la validez del algoritmo, se presentan varios casos de estudio para el procesador Alpha 21364 considerando distintas restricciones. En comparación con otros trabajos previos en la literatura, el modelo que aquí se presenta es el más completo. Finalmente, la última contribución se dirige al nivel de red, partiendo de un conjunto de monitores de temperatura de posiciones conocidas, nos concentramos en resolver el problema de la conexión de los sensores de una forma eficiente en área y consumo. Nuestra primera propuesta en este campo es la introducción de un nuevo nivel en la jerarquía de interconexión, el nivel de trillado (o threshing en inglés), entre los monitores y los buses tradicionales de periféricos. En este nuevo nivel se aplica selectividad de datos para reducir la cantidad de información que se envía al controlador central. La idea detrás de este nuevo nivel es que en este tipo de redes la mayoría de los datos es inútil, porque desde el punto de vista del controlador sólo una pequeña cantidad de datos |normalmente sólo los valores extremos| es de interés. Para cubrir el nuevo nivel, proponemos una red de monitorización mono-conexión que se basa en un esquema de señalización en el dominio de tiempo. Este esquema reduce significativamente tanto la actividad de conmutación sobre la conexión como el consumo de energía de la red. Otra ventaja de este esquema es que los datos de los monitores llegan directamente ordenados al controlador. Si este tipo de señalización se aplica a sensores que realizan conversión tiempo-a-digital, se puede obtener compartición de recursos de digitalización tanto en tiempo como en espacio, lo que supone un importante ahorro de área y consumo. Finalmente, se presentan dos prototipos de sistemas de monitorización completos que de manera significativa superan la características de trabajos anteriores en términos de área y, especialmente, consumo de energía. Abstract Temperature is a first class design concern in modern integrated circuits. The important increase in power densities associated to recent technology evolutions has lead to the apparition of thermal gradients and hot spots during run time operation. Temperature impacts several circuit parameters such as speed, cooling budgets, reliability, power consumption, etc. In order to fight against these negative effects, dynamic thermal management (DTM) techniques adapt the behavior of the chip relying on the information of a monitoring system that provides run-time thermal information of the die surface. The field of on-chip temperature monitoring has drawn the attention of the scientific community in the recent years and is the object of study of this thesis. This thesis approaches the matter of on-chip temperature monitoring from different perspectives and levels, providing solutions to some of the most important issues. The physical and circuital levels are covered with the design and characterization of two novel temperature sensors specially tailored for DTM purposes. The first sensor is based upon a mechanism that obtains a pulse with a varying width based on the variations of the leakage currents on the temperature. In a nutshell, a circuit node is charged and subsequently left floating so that it discharges away through the subthreshold currents of a transistor; the time the node takes to discharge is the width of the pulse. Since the width of the pulse displays an exponential dependence on the temperature, the conversion into a digital word is realized by means of a logarithmic counter that performs both the timeto- digital conversion and the linearization of the output. The structure resulting from this combination of elements is implemented in a 0.35_m technology and is characterized by very reduced area, 10250 nm2, and power consumption, 1.05-65.5 nW at 5 samples/s, these figures outperformed all previous works by the time it was first published and still, by the time of the publication of this thesis, they outnumber all previous implementations in the same technology node. Concerning the accuracy, the sensor exhibits good linearity, even without calibration it displays a 3_ error of 1.97oC, appropriate to deal with DTM applications. As explained, the sensor is completely compatible with standard CMOS processes, this fact, along with its tiny area and power overhead, makes it specially suitable for the integration in a DTM monitoring system with a collection of on-chip monitors distributed across the chip. The exacerbated process fluctuations carried along with recent technology nodes jeop-ardize the linearity characteristics of the first sensor. In order to overcome these problems, a new temperature inferring technique is proposed. In this case, we also rely on the thermal dependencies of leakage currents that are used to discharge a floating node, but now, the result comes from the ratio of two different measures, in one of which we alter a characteristic of the discharging transistor |the gate voltage. This ratio proves to be very robust against process variations and displays a more than suficient linearity on the temperature |1.17oC 3_ error considering process variations and performing two-point calibration. The implementation of the sensing part based on this new technique implies several issues, such as the generation of process variations independent voltage reference, that are analyzed in depth in the thesis. In order to perform the time-to-digital conversion, we employ the same digitization structure the former sensor used. A completely new standard cell library targeting low area and power overhead is built from scratch to implement the digitization part. Putting all the pieces together, we achieve a complete sensor system that is characterized by ultra low energy per conversion of 48-640pJ and area of 0.0016mm2, this figure outperforms all previous works. To prove this statement, we perform a thorough comparison with over 40 works from the scientific literature. Moving up to the system level, the third contribution is centered on the modeling of a monitoring system consisting of set of thermal sensors distributed across the chip. All previous works from the literature target maximizing the accuracy of the system with the minimum number of monitors. In contrast, we introduce new metrics of quality apart form just the number of sensors; we consider the power consumption, the sampling frequency, the possibility to consider different types of monitors and the interconnection costs. The model is introduced in a simulated annealing algorithm that receives the thermal information of a system, its physical properties, area, power and interconnection constraints and a collection of monitor types; the algorithm yields the selected type of monitor, the number of monitors, their position and the optimum sampling rate. We test the algorithm with the Alpha 21364 processor under several constraint configurations to prove its validity. When compared to other previous works in the literature, the modeling presented here is the most complete. Finally, the last contribution targets the networking level, given an allocated set of temperature monitors, we focused on solving the problem of connecting them in an efficient way from the area and power perspectives. Our first proposal in this area is the introduction of a new interconnection hierarchy level, the threshing level, in between the monitors and the traditional peripheral buses that applies data selectivity to reduce the amount of information that is sent to the central controller. The idea behind this new level is that in this kind of networks most data are useless because from the controller viewpoint just a small amount of data |normally extreme values| is of interest. To cover the new interconnection level, we propose a single-wire monitoring network based on a time-domain signaling scheme that significantly reduces both the switching activity over the wire and the power consumption of the network. This scheme codes the information in the time domain and allows a straightforward obtention of an ordered list of values from the maximum to the minimum. If the scheme is applied to monitors that employ TDC, digitization resource sharing is achieved, producing an important saving in area and power consumption. Two prototypes of complete monitoring systems are presented, they significantly overcome previous works in terms of area and, specially, power consumption.

Dimensionamiento del proceso de licuación de una planta de gas natural Offshore

Este proyecto consiste en el dimensionamiento del proceso de licuación de una planta offshore para la producción de gas natural licuado, usando únicamente N2 como refrigerante, evitando de este modo riesgos potenciales que podrían surgir con el uso de refrigerantes mixtos compuestos de hidrocarburos. El proceso ha sido diseñado para acomodar 35,23 kg/s (aproximadamente un millón de toneladas por año) de gas natural seco, sin separación de gases licuados de petróleo (GLP) y ajustarlo dentro de los parámetros requeridos en las especificaciones del proceso. Para proceder al dimensionamiento del proceso de licuación de gas natural de la planta se ha empleado el programa Aspen Plus. Los sistemas floating production, storage and offloading para licuar el gas natural (LNG-FPSO), es una nueva unidad conceptual y un modo realista y efectivo para la explotación, recuperación, almacenamiento, transporte y agotamiento de los campos marginales de gas y las fuentes de gas asociadas offshore. En el proyecto se detalla el proceso, equipos necesarios y costes estimados, potencia aproximada requerida y un breve análisis económico. ABSTRACT This project consist of the dimensioning of a liquefaction process in an offshore plant to produce liquefied natural, using only N2 as refrigerant in the cooling cycles to avoid potential hazards of mixed hydrocarbon refrigerants. The process was designed to accommodate 35.23 kg/s (roughly 1 MTPA) of raw natural gas feed without separation of LPG, and fits within all parameters required in the process specifications. The plant has been designed with the computer tool Aspen Plus. The floating production, storage and offloading system for liquefied natural gas (LNGFPSO), is a new conceptual unit and an effective and realistic way for exploitation, recovery, storage, transportation and end-use applications of marginal gas fields and offshore associated-gas resources. The following report details the process, equipment needs and estimated costs, approximated power requirements, and a brief economic analysis.

La barrera del análisis estructural y la representación gráfica en el desarrollo de los proyectos arquitectónicos: el caso de la Ópera de Sidney

En numerosas ocasiones a lo largo de la historia la imaginación de los creadores ha ido por delante de las posibilidades técnicas de cada momento. Así, muchas de estas nuevas ideas han requerido largos periodos de tiempo para materializarse como realidad construida, hasta que el desarrollo tecnológico e industrial hubo alcanzado un grado de madurez suficiente. En el campo de la arquitectura, estas limitaciones técnicas se han ido acotando paulatinamente hasta desembocar en la situación actual en la que cualquier planteamiento formal puede ser representado gráficamente y analizado desde un punto de vista estructural, superádose de este modo la barrera existente históricamente en el tratamiento de las formas. A lo largo del presente tesis doctoral se analiza cómo la formulación del Método de los Elementos Finitos en la década de los cincuenta y las curvas de Bézier en la década de los sesenta del siglo pasado y la posterior generalización de los ordenadores personales y de los programas informáticos asociados (C.A.D. y F.E.M. principalmente) en los estudios de arquitectura e ingeniería a partir de la década de los noventa, posibilitó el desarrollo de cualquier propuesta arquitectónica, por compleja que ésta fuese, provocando una verdadera revolución a nivel formal en el mundo de la arquitectura, especialmente en el campo de la edificación singular o icónica. Se estudia este proceso a través de ocho edificios; cuatro anteriores y otros tantos posteriores a la desaparición de la barrera anteriormente referida, establecida de forma simbólica en la década de los años ochenta del siglo XX: Frontón de Recoletos en Madrid, Edificio Seagram en Nueva York, Habitat ’67 en Montreal, Ópera de Sídney, museo Guggenheim de Bilbao, ampliación del Victoria & Albert Museum en Londres, tanatorio “Meiso no Mori” en Gifu y nueva sede de la CCTV en Pekín. De entre ellos, la Ópera de Sídney, obra del arquitecto danés Jørn Utzon, condensa gran parte de los aspectos relevantes investigados en relación a la influencia que los métodos de representación y análisis estructural ejercen en la concepción y construcción de las obras de arquitectura. Por este motivo y por considerarse un hito de la arquitectura a nivel global se toma como caso de estudio. La idea general del edificio, que data de 1956, se enmarca en una época inmediatamente anterior a la del desarrollo científico y tecnológico anteriormente referido. Esta ausencia de herramientas de diseño disponibles acordes a la complejidad formal de la propuesta planteada condicionó enormente la marcha del proyecto, dilatándose dramáticamente en el tiempo y disparándose su coste hasta el punto de que el propio arquitecto danés fue separado de las obras antes de su conclusión. Además, la solución estructural finalmente construida de las cubiertas dista mucho de la prevista por Utzon inicialmente. Donde él había imaginado unas finas láminas de hormigón flotando sobre el paisaje se materializó una estructura más pesada, formada por costillas pretensadas de hormigón con unas secciones notablemente mayores. La forma también debió ser modificada de modo ostensible respecto a la propuesta inicial. Si este edificio se pretendiese construir en la actualidad, con toda seguridad el curso de los acontecimientos se desarrollaría por senderos muy diferentes. Ante este supuesto, se plantean las siguientes cuestiones: ¿sería posible realizar un análisis estructural de la cubierta laminar planteada por Utzon inicialmente en el concurso con las herramientas disponibles en la actualidad?; ¿sería dicha propuesta viable estructuralmente?. A lo largo de las siguientes páginas se pretende dar respuesta a estas cuestiones, poniendo de relieve el impacto que los ordenadores personales y los programas informáticos asociados han tenido en la manera de concebir y construir edificios. También se han analizado variantes a la solución laminar planteada en la fase de concurso, a través de las cuales, tratando en la medida de lo posible de ajustarse a las sugerencias que Ove Arup y su equipo realizaron a Jørn Utzon a lo largo del dilatado proceso de proyecto, mejorar el comportamiento general de la estructura del edificio. Por último, se ha pretendido partir de cero y plantear, desde una perspectiva contemporánea, posibles enfoques metodológicos aplicables a la búsqueda de soluciones estructurales compatibles con la forma propuesta originalmente por Utzon para las cubiertas de la Ópera de Sídney y que nunca llegó a ser construida (ni analizada), considerando para ello los medios tecnológicos, científicos e industriales disponibles en la actualidad. Abstract On numerous occasions throughout history the imagination of creators has gone well beyond of the technical possibilities of their time. Many new ideas have required a long period to materialize, until the technological and industrial development had time to catch up. In the architecture field, these technical limitations have gradually tightened leading to the current situation in which any formal approach can be represented and analyzed from a structural point of view, thus concluding that the structural analysis and the graphical representation’s barrier in the development of architectural projects has dissappeared. Throughout the following pages it is examined how the development of the Finite Element Method in the fifties and the Bezier curves in the sixties of the last century and the subsequent spread of personal computers and specialized software in the architectural and engineering offices from the nineties, enabled the development of any architectural proposal independently of its complexity. This has caused a revolution at a formal level in architecture, especially in the field of iconic building. This process is analyzed through eight buildings, four of them before and another four after the disappearance of the above mentioned barrier, roughly established in the eighties of the last century: Fronton Recoletos in Madrid, Seagram Building in New York Habitat '67 in Montreal, Sydney Opera House, Guggenheim Museum Bilbao, Victoria & Albert Museum extension in London, Crematorium “Meiso no Mori” in Gifu and the new CCTV headquarters in Beijing. Among them, the Sydney Opera House, designed by Danish architect Jørn Utzon, condenses many of the main aspects previously investigated regarding the impact of representation methods and structural analysis on the design and construction of architectural projects. For this reason and also because it is considered a global architecture milestone, it is selected as a case study. The building’s general idea, which dates from 1956, is framed at a time immediately preceding the above mentioned scientific and technological development. This lack of available design tools in accordance with the proposal’s formal complexity conditioned enormously the project’s progress, leading to a dramatic delay and multiplying the final budget disproportionately to the point that the Danish architect himself was separated from the works before completion. Furthermore, the built structure differs dramatically from the architect’s initial vision. Where Utzon saw a thin concrete shell floating over the landscape a heavier structure was built, consisting of prestressed concrete ribs with a significantly greater size. The geometry also had to be modified. If this building were to built today, the course of events surely would walk very different paths. Given this assumption, a number of questions could then be formulated: Would it be possible to perform a structural analysis of Utzon’s initially proposed competition-free-ways roof’s geometry with the tools available nowadays?; Would this proposal be structurally feasable?. Throughout the following pages it is intended to clarify this issues, highlighting personal computers and associated software’s impact in building design and construction procedures, especially in the field of iconic building. Variants have also been analyzed for the laminar solution proposed in the competition phase, through which, trying as far as possible to comply with the suggestions that Ove Arup and his team did to Jørn Utzon along the lengthy process project, improving the overall performance of the building structure. Finally, we have started from scratch and analyzed, from a contemporary perspective, possible structural solutions compatible with Utzon’s Opera House’s original geometry and vision –proposal that was never built (nor even analyzed)-, taking into consideration the technological, scientific and industrial means currently available.

Artificial auroral effects from a bare conducting tether

An electrically floating metallic bare tether in a low Earth orbit would be highly negative with respect to the ambient plasma over most of its length, and would be bombarded by ambient ions.This would liberates secondary electrons which after acceleration through the same voltage, would form a magnetically guided two-sided planar e beam,and result in auroral effects(ionization and light emission)upon impacto on the atmospheric E layer, at about 120-140 km altitude.This papere examines in a preliminary way the feasibility of using this effecet as an uppeart atmospheric probe. Ionization rate can reach up to 10 3 cm 3 S -1 if a tape, instead of a wire, is used as tether. Contrary to standard e beams,the beam from the tether is free of spacecrafct charging and plasma interaction problems and its energy flux varies across the crosss ection,w hich is quite large;this would make possible continuous observation from the satellite, with high resolution both spectral and vertical, of the induced optical emissions. Ground observation might be possible at latitudes around 40ø , for night, magnetically quiet conditions.

Bare-tether cathodic contact through thermoionic emission by low work-function materials

A new material, C12A7 : electride, which might present a work function as low as 0.6 eV and moderately high temperature stability, was recently proposed as coating for floating bare tethers. Arising from heating under space operation, current is emitted by thermionic emission along a thus coated cathodic segment. A preliminary study on the space-charge-limited (SCL) double layer in front of the cathodic segment is presented using Langmuir’s SCL electron current between cylindrical electrodes and orbital-motion-limited ion-collection sheath. A detailed calculation of current and bias profiles along the entire tether length is carried out with ohmic effects and the transition from SCL to full Richardson-Dushman emission included. Analysis shows that in the simplest drag mode, under typical orbital and tether conditions, thermionic emission leads to a short cathodic section and may eliminate the need for an active cathodic device and its corresponding gas feed requirements and power subsystem, which results in a truly “propellant-less” tether system for such basic applications as de-orbiting low earth orbit satellites.

E-beam propagation and interaction with atmosphere

This study purports to investigate whether a conductive tether left uninsulated and electrically floating in LEO could serve as an effective e-beam source to produce artificial auroras. An electrically floating tether comes out biased highly negative over most of its length. Ambient ions impacting it with KeV energies liberate secondary electrons, which are locally accelerated through the 2D tether voltage-bias, race down magnetic lines, and result in peak auroral emissions at about 120-160 km altitude. Since no current flows at either tether end, a bare-tether e-beam is fully free of spacecraft charging problems. Beam propagation and beam-atmosphere interactions need be modelled in a simple but quantitative way so as to allow a satisfactory discussion of observational options and their feasibility. The evolution in the energy spectrum of secondary electrons, their pitch distribution, and beam broadening due to collisions with neutrals, which would result in a broader but weaker tether footprint in the E-layer, need be modelled. Relations between particle/energy flux values, and ionization and accompanying emission rates, are considered.

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.

The theory of electrostatic probes in strong magnetic fields : Thesis submitted to the Faculty of The Graduate School of the University of Colorado for the Degree Doctor of Philosophy Department of Aerospace Engineering Science

A theory is developed of an electrostatic probe in a fully-ionized plasma in the presence of a strong magnetic field. The ratio of electron Larmor radius to probe transverse dimension is assumed to be small. Poisson's equation, together with kinetic equations for ions and electrons are considered. An asymptotic perturbation method of multiple scales is used by considering the characteristic lengths appearing in the problem. The leading behavior of the solution is found. The results obtained appear to apply to weaker fields also, agreeing with the solutions known in the limit of no magnetic field. The range of potentials for wich results are presented is limited. The basic effects produced by the field are a depletion of the plasma near the probe and a non-monotonic potential surrounding the probe. The ion saturation current is not changed but changes appear in both the floating potential Vf and the slope of the current-voltage diagram at Vf. The transition region extends beyond the space potential Vs,at wich point the current is largely reduced. The diagram does not have an exponential form in this region as commonly assumed. There exists saturation in electron collection. The extent to which the plasma is disturbed is determined. A cylindrical probe has no solution because of a logarithmic singularity at infinity. Extensions of the theory are considered.

An extended electron beam for auroral studies

An electrically floating metallic bare tether in a low Earth orbit would be highly negative with respect to the ambient plasma over most of its length, and would be bombarded by ambient ions. This would liberate secondary electrons, which, after acceleration through the same voltage, would form a magnetically guided two-sided planar e-beam. Upon impact on the atmospheric E-layer, at about 120-140 Km altitude auroral effects (ionization and light emission) can be expected. This paper examines in a preliminary way the feasibility of using this effect as an upper atmospheric probe. It is concluded that significant perturbations can be produced along the illuminated planar sheet of the atmosphere, with ionization rates of several thousand cm-3 sec1. Observation of the induced optical emission is made difficult by the narrowness and high moving speed of the illuminated zone, but it is shown that vertical resolution of single spectral lines is possible, as is wider spectral coverage with no vertical resolution.

An upper atmospheric probe for auroral effects

An electrically floating bare tether in LEO orbit may serve as upper atmospheric probe. Ambient ions bombard the negatively biased tether and liberate secondary electrons, which accelerate through the same voltage to form a magnetically guided planar e-beam resulting in auroral effects at the E-layer. This beam is free from the S/C charging and plasma interaction problems of standard e-beams. The energy flux is weak but varies accross the large beam cross section, allowing continuous observation from the S/C. A brightness scan of line-integrated emissions, that mix emitting altitudes and tether points originating the electrons, is analysed. The tether is magnetically dragged at nighttime operation, when power supply and plasma contactor at the S/C are off for electrical floating; power and contactor are on at daytime for partial current reversal, resulting in thrust. System requirements for keeping average orbital height are discussed.