Failure Detectors in Homonymous Distributed Systems (with an Application to Consensus).

This paper is on homonymous distributed systems where processes are prone to crash failures and have no initial knowledge of the system membership (?homonymous? means that several processes may have the same identi?er). New classes of failure detectors suited to these systems are ?rst de?ned. Among them, the classes H? and H? are introduced that are the homonymous counterparts of the classes ? and ?, respectively. (Recall that the pair h?,?i de?nes the weakest failure detector to solve consensus.) Then, the paper shows how H? and H? can be implemented in homonymous systems without membership knowledge (under different synchrony requirements). Finally, two algorithms are presented that use these failure detectors to solve consensus in homonymous asynchronous systems where there is no initial knowledge ofthe membership. One algorithm solves consensus with hH?, H?i, while the other uses only H?, but needs a majority of correct processes. Observe that the systems with unique identi?ers and anonymous systems are extreme cases of homonymous systems from which follows that all these results also apply to these systems. Interestingly, the new failure detector class H? can be implemented with partial synchrony, while the analogous class A? de?ned for anonymous systems can not be implemented (even in synchronous systems). Hence, the paper provides us with the ?rst proof showing that consensus can be solved in anonymous systems with only partial synchrony (and a majority of correct processes).

Portado del algoritmo de Viterbi a una arquitectura multiprocesador

Cada vez es m��s frecuente que los sistemas de comunicaciones realicen buena parte de sus funciones (modulaci��n y demodulaci��n, codificaci��n y decodificaci��n...) mediante software en lugar de utilizar hardware dedicado. Esta t��cnica se denomina ���Radio software���. El objetivo de este PFC es estudiar un algoritmo implementado en C empleado en sistemas de comunicaciones modernos, en concreto la decodificaci��n de Viterbi, el cual se encarga de corregir los posibles errores producidos a lo largo de la comunicaci��n, para poder trasladarlo a sistemas empotrados multiprocesador. Partiendo de un c��digo en C para el decodificador que realiza todas sus operaciones en serie, en este Proyecto fin de carrera se ha paralelizado dicho c��digo, es decir, que el trabajo que realizaba un solo hilo para el caso del c��digo serie, es procesado por un n��mero de hilos configurables por el usuario, persiguiendo que el tiempo de ejecuci��n se reduzca, es decir, que el programa paralelizado se ejecute de una manera m��s r��pida. El trabajo se ha realizado en un PC con sistema operativo Linux, pero la versi��n paralelizada del c��digo puede ser empleada en un sistema empotrado multiprocesador en el cual cada procesador ejecuta el c��digo correspondiente a uno de los hilos de la versi��n de PC. ABSTRACT It is increasingly common for communications systems to perform most of its functions (modulation and demodulation, coding and decoding) by software instead of than using dedicated hardware. This technique is called: ���Software Radio���. The aim of the PFC is to study an implemented algorithm in C language used in modern communications systems, particularly Viterbi decoding, which amends any possible error produced during the communication, in order to be able to move multiprocessor embedded systems. Starting from a C code of the decoder that performs every single operation in serial, in this final project, this code has been parallelized, which means that the work used to be done by just a single thread in the case of serial code, is processed by a number of threads configured by the user, in order to decrease the execution time, meaning that the parallelized program is executed faster. The work has been carried out on a PC using Linux operating system, but the parallelized version of the code could also be used in an embedded multiprocessor system in which each processor executes the corresponding code to every single one of the threads of the PC version.

Electrodynamic tethers for exploration of Jupiter and its icy moons

Use of electrodynamic bare tethers in exploring the Jovian system by tapping its rotational energy for power and propulsion is studied. The position of perijove and apojove in elliptical orbits, relative to the synchronous orbit at 2.24 times Jupiter���s radius, is exploited to conveniently make the induced Lorentz force to be drag or thrust, while generating power, and navigating the system. Capture and evolution to a low elliptical orbit near Jupiter, and capture into low circular orbits at moons Io and Europa are discussed.

Collective Organization of Complex Networks: Emergent Scales, Vulnerability, and Targeting of Desired Dynamics

Cuando una colectividad de sistemas din��micos acoplados mediante una estructura irregular de interacciones evoluciona, se observan din��micas de gran complejidad y fen��menos emergentes imposibles de predecir a partir de las propiedades de los sistemas individuales. El objetivo principal de esta tesis es precisamente avanzar en nuestra comprensi��n de la relaci��n existente entre la topolog��a de interacciones y las din��micas colectivas que una red compleja es capaz de mantener. Siendo este un tema amplio que se puede abordar desde distintos puntos de vista, en esta tesis se han estudiado tres problemas importantes dentro del mismo que est��n relacionados entre s��. Por un lado, en numerosos sistemas naturales y artificiales que se pueden describir mediante una red compleja la topolog��a no es est��tica, sino que depende de la din��mica que se desarrolla en la red: un ejemplo son las redes de neuronas del cerebro. En estas redes adaptativas la propia topolog��a emerge como consecuencia de una autoorganizaci��n del sistema. Para conocer mejor c��mo pueden emerger espont��neamente las propiedades com��nmente observadas en redes reales, hemos estudiado el comportamiento de sistemas que evolucionan seg��n reglas adaptativas locales con base emp��rica. Nuestros resultados num��ricos y anal��ticos muestran que la autoorganizaci��n del sistema da lugar a dos de las propiedades m��s universales de las redes complejas: a escala mesosc��pica, la aparici��n de una estructura de comunidades, y, a escala macrosc��pica, la existencia de una ley de potencias en la distribuci��n de las interacciones en la red. El hecho de que estas propiedades aparecen en dos modelos con leyes de evoluci��n cuantitativamente distintas que siguen unos mismos principios adaptativos sugiere que estamos ante un fen��meno que puede ser muy general, y estar en el origen de estas propiedades en sistemas reales. En segundo lugar, proponemos una medida que permite clasificar los elementos de una red compleja en funci��n de su relevancia para el mantenimiento de din��micas colectivas. En concreto, estudiamos la vulnerabilidad de los distintos elementos de una red frente a perturbaciones o grandes fluctuaciones, entendida como una medida del impacto que estos acontecimientos externos tienen en la interrupci��n de una din��mica colectiva. Los resultados que se obtienen indican que la vulnerabilidad din��mica es sobre todo dependiente de propiedades locales, por tanto nuestras conclusiones abarcan diferentes topolog��as, y muestran la existencia de una dependencia no trivial entre la vulnerabilidad y la conectividad de los elementos de una red. Finalmente, proponemos una estrategia de imposici��n de una din��mica objetivo gen��rica en una red dada e investigamos su validez en redes con diversas topolog��as que mantienen reg��menes din��micos turbulentos. Se obtiene como resultado que las redes heterog��neas (y la amplia mayora de las redes reales estudiadas lo son) son las m��s adecuadas para nuestra estrategia de targeting de din��micas deseadas, siendo la estrategia muy efectiva incluso en caso de disponer de un conocimiento muy imperfecto de la topolog��a de la red. Aparte de la relevancia te��rica para la comprensi��n de fen��menos colectivos en sistemas complejos, los m��todos y resultados propuestos podr��n dar lugar a aplicaciones en sistemas experimentales y tecnol��gicos, como por ejemplo los sistemas neuronales in vitro, el sistema nervioso central (en el estudio de actividades s��ncronas de car��cter patol��gico), las redes el��ctricas o los sistemas de comunicaciones. ABSTRACT The time evolution of an ensemble of dynamical systems coupled through an irregular interaction scheme gives rise to dynamics of great of complexity and emergent phenomena that cannot be predicted from the properties of the individual systems. The main objective of this thesis is precisely to increase our understanding of the interplay between the interaction topology and the collective dynamics that a complex network can support. This is a very broad subject, so in this thesis we will limit ourselves to the study of three relevant problems that have strong connections among them. First, it is a well-known fact that in many natural and manmade systems that can be represented as complex networks the topology is not static; rather, it depends on the dynamics taking place on the network (as it happens, for instance, in the neuronal networks in the brain). In these adaptive networks the topology itself emerges from the self-organization in the system. To better understand how the properties that are commonly observed in real networks spontaneously emerge, we have studied the behavior of systems that evolve according to local adaptive rules that are empirically motivated. Our numerical and analytical results show that self-organization brings about two of the most universally found properties in complex networks: at the mesoscopic scale, the appearance of a community structure, and, at the macroscopic scale, the existence of a power law in the weight distribution of the network interactions. The fact that these properties show up in two models with quantitatively different mechanisms that follow the same general adaptive principles suggests that our results may be generalized to other systems as well, and they may be behind the origin of these properties in some real systems. We also propose a new measure that provides a ranking of the elements in a network in terms of their relevance for the maintenance of collective dynamics. Specifically, we study the vulnerability of the elements under perturbations or large fluctuations, interpreted as a measure of the impact these external events have on the disruption of collective motion. Our results suggest that the dynamic vulnerability measure depends largely on local properties (our conclusions thus being valid for different topologies) and they show a non-trivial dependence of the vulnerability on the connectivity of the network elements. Finally, we propose a strategy for the imposition of generic goal dynamics on a given network, and we explore its performance in networks with different topologies that support turbulent dynamical regimes. It turns out that heterogeneous networks (and most real networks that have been studied belong in this category) are the most suitable for our strategy for the targeting of desired dynamics, the strategy being very effective even when the knowledge on the network topology is far from accurate. Aside from their theoretical relevance for the understanding of collective phenomena in complex systems, the methods and results here discussed might lead to applications in experimental and technological systems, such as in vitro neuronal systems, the central nervous system (where pathological synchronous activity sometimes occurs), communication systems or power grids.

Functional and effective connectivity in MEG. Application to the study of epilepsy

Nuestro cerebro contiene cerca de 1014 sinapsis neuronales. Esta enorme cantidad de conexiones proporciona un entorno ideal donde distintos grupos de neuronas se sincronizan transitoriamente para provocar la aparici��n de funciones cognitivas, como la percepci��n, el aprendizaje o el pensamiento. Comprender la organizaci��n de esta compleja red cerebral en base a datos neurofisiol��gicos, representa uno de los desaf��os m��s importantes y emocionantes en el campo de la neurociencia. Se han propuesto recientemente varias medidas para evaluar c��mo se comunican las diferentes partes del cerebro a diversas escalas (c��lulas individuales, columnas corticales, o ��reas cerebrales). Podemos clasificarlos, seg��n su simetr��a, en dos grupos: por una parte, la medidas sim��tricas, como la correlaci��n, la coherencia o la sincronizaci��n de fase, que eval��an la conectividad funcional (FC); mientras que las medidas asim��tricas, como la causalidad de Granger o transferencia de entrop��a, son capaces de detectar la direcci��n de la interacci��n, lo que denominamos conectividad efectiva (EC). En la neurociencia moderna ha aumentado el inter��s por el estudio de las redes funcionales cerebrales, en gran medida debido a la aparici��n de estos nuevos algoritmos que permiten analizar la interdependencia entre se��ales temporales, adem��s de la emergente teor��a de redes complejas y la introducci��n de t��cnicas novedosas, como la magnetoencefalograf��a (MEG), para registrar datos neurofisiol��gicos con gran resoluci��n. Sin embargo, nos hallamos ante un campo novedoso que presenta aun varias cuestiones metodol��gicas sin resolver, algunas de las cuales trataran de abordarse en esta tesis. En primer lugar, el creciente n��mero de aproximaciones para determinar la existencia de FC/EC entre dos o m��s se��ales temporales, junto con la complejidad matem��tica de las herramientas de an��lisis, hacen deseable organizarlas todas en un paquete software intuitivo y f��cil de usar. Aqu�� presento HERMES (http://hermes.ctb.upm.es), una toolbox en MatlabR, dise��ada precisamente con este fin. Creo que esta herramienta ser�� de gran ayuda para todos aquellos investigadores que trabajen en el campo emergente del an��lisis de conectividad cerebral y supondr�� un gran valor para la comunidad cient��fica. La segunda cuesti��n practica que se aborda es el estudio de la sensibilidad a las fuentes cerebrales profundas a trav��s de dos tipos de sensores MEG: gradi��metros planares y magnet��metros, esta aproximaci��n adem��s se combina con un enfoque metodol��gico, utilizando dos ��ndices de sincronizaci��n de fase: phase locking value (PLV) y phase lag index (PLI), este ultimo menos sensible a efecto la conducci��n volumen. Por lo tanto, se compara su comportamiento al estudiar las redes cerebrales, obteniendo que magnet��metros y PLV presentan, respectivamente, redes m��s densamente conectadas que gradi��metros planares y PLI, por los valores artificiales que crea el problema de la conducci��n de volumen. Sin embargo, cuando se trata de caracterizar redes epil��pticas, el PLV ofrece mejores resultados, debido a la gran dispersi��n de las redes obtenidas con PLI. El an��lisis de redes complejas ha proporcionado nuevos conceptos que mejoran caracterizaci��n de la interacci��n de sistemas din��micos. Se considera que una red est�� compuesta por nodos, que simbolizan sistemas, cuyas interacciones se representan por enlaces, y su comportamiento y topolog��a puede caracterizarse por un elevado n��mero de medidas. Existe evidencia te��rica y emp��rica de que muchas de ellas est��n fuertemente correlacionadas entre s��. Por lo tanto, se ha conseguido seleccionar un peque��o grupo que caracteriza eficazmente estas redes, y condensa la informaci��n redundante. Para el an��lisis de redes funcionales, la selecci��n de un umbral adecuado para decidir si un determinado valor de conectividad de la matriz de FC es significativo y debe ser incluido para un an��lisis posterior, se convierte en un paso crucial. En esta tesis, se han obtenido resultados m��s precisos al utilizar un test de subrogadas, basado en los datos, para evaluar individualmente cada uno de los enlaces, que al establecer a priori un umbral fijo para la densidad de conexiones. Finalmente, todas estas cuestiones se han aplicado al estudio de la epilepsia, caso pr��ctico en el que se analizan las redes funcionales MEG, en estado de reposo, de dos grupos de pacientes epil��pticos (generalizada idiop��tica y focal frontal) en comparaci��n con sujetos control sanos. La epilepsia es uno de los trastornos neurol��gicos m��s comunes, con m��s de 55 millones de afectados en el mundo. Esta enfermedad se caracteriza por la predisposici��n a generar ataques epil��pticos de actividad neuronal anormal y excesiva o bien s��ncrona, y por tanto, es el escenario perfecto para este tipo de an��lisis al tiempo que presenta un gran inter��s tanto desde el punto de vista cl��nico como de investigaci��n. Los resultados manifiestan alteraciones especificas en la conectividad y un cambio en la topolog��a de las redes en cerebros epil��pticos, desplazando la importancia del ���foco��� a la ���red���, enfoque que va adquiriendo relevancia en las investigaciones recientes sobre epilepsia. ABSTRACT There are about 1014 neuronal synapses in the human brain. This huge number of connections provides the substrate for neuronal ensembles to become transiently synchronized, producing the emergence of cognitive functions such as perception, learning or thinking. Understanding the complex brain network organization on the basis of neuroimaging data represents one of the most important and exciting challenges for systems neuroscience. Several measures have been recently proposed to evaluate at various scales (single cells, cortical columns, or brain areas) how the different parts of the brain communicate. We can classify them, according to their symmetry, into two groups: symmetric measures, such as correlation, coherence or phase synchronization indexes, evaluate functional connectivity (FC); and on the other hand, the asymmetric ones, such as Granger causality or transfer entropy, are able to detect effective connectivity (EC) revealing the direction of the interaction. In modern neurosciences, the interest in functional brain networks has increased strongly with the onset of new algorithms to study interdependence between time series, the advent of modern complex network theory and the introduction of powerful techniques to record neurophysiological data, such as magnetoencephalography (MEG). However, when analyzing neurophysiological data with this approach several questions arise. In this thesis, I intend to tackle some of the practical open problems in the field. First of all, the increase in the number of time series analysis algorithms to study brain FC/EC, along with their mathematical complexity, creates the necessity of arranging them into a single, unified toolbox that allow neuroscientists, neurophysiologists and researchers from related fields to easily access and make use of them. I developed such a toolbox for this aim, it is named HERMES (http://hermes.ctb.upm.es), and encompasses several of the most common indexes for the assessment of FC and EC running for MatlabR environment. I believe that this toolbox will be very helpful to all the researchers working in the emerging field of brain connectivity analysis and will entail a great value for the scientific community. The second important practical issue tackled in this thesis is the evaluation of the sensitivity to deep brain sources of two different MEG sensors: planar gradiometers and magnetometers, in combination with the related methodological approach, using two phase synchronization indexes: phase locking value (PLV) y phase lag index (PLI), the latter one being less sensitive to volume conduction effect. Thus, I compared their performance when studying brain networks, obtaining that magnetometer sensors and PLV presented higher artificial values as compared with planar gradiometers and PLI respectively. However, when it came to characterize epileptic networks it was the PLV which gives better results, as PLI FC networks where very sparse. Complex network analysis has provided new concepts which improved characterization of interacting dynamical systems. With this background, networks could be considered composed of nodes, symbolizing systems, whose interactions with each other are represented by edges. A growing number of network measures is been applied in network analysis. However, there is theoretical and empirical evidence that many of these indexes are strongly correlated with each other. Therefore, in this thesis I reduced them to a small set, which could more efficiently characterize networks. Within this framework, selecting an appropriate threshold to decide whether a certain connectivity value of the FC matrix is significant and should be included in the network analysis becomes a crucial step, in this thesis, I used the surrogate data tests to make an individual data-driven evaluation of each of the edges significance and confirmed more accurate results than when just setting to a fixed value the density of connections. All these methodologies were applied to the study of epilepsy, analysing resting state MEG functional networks, in two groups of epileptic patients (generalized and focal epilepsy) that were compared to matching control subjects. Epilepsy is one of the most common neurological disorders, with more than 55 million people affected worldwide, characterized by its predisposition to generate epileptic seizures of abnormal excessive or synchronous neuronal activity, and thus, this scenario and analysis, present a great interest from both the clinical and the research perspective. Results revealed specific disruptions in connectivity and network topology and evidenced that networks��� topology is changed in epileptic brains, supporting the shift from ���focus��� to ���networks��� which is gaining importance in modern epilepsy research.

El Entorno Aumentado: Imperativo informacional para una ecolog��a digital de lo arquitect��nico

Esta tesis se suma a los intentos te��ricos de clarificar la impronta del dominio digital en lo arquitect��nico. Propone una cartograf��a cr��tica para reconstruir el proceso de tal convergencia considerando aquellos acontecimientos reveladores que lo han pautado. La integraci��n de la extensi��n digital propia las tecnolog��as de la informaci��n y la comunicaci��n en el contexto tradicional arquitect��nico ha supuesto el advenimiento de un ecosistema artificial complejo. A esta realidad o proceso concurrente se la denomina el Entorno Aumentado. La l��nea principal de investigaci��n explora el desarrollo de la interacci��n hombre-m��quina, en sendas trayectorias sincr��nicas convergentes. El an��lisis se aborda por tanto desde la consideraci��n de esa naturaleza dual, atendiendo simult��neamente a la humanizaci��n del dominio digital o c��mo la computaci��n se adapta a la condici��n natural de ser humano, y a la digitalizaci��n del ser humano o c��mo ��ste asume el imperativo digital. El an��lisis resulta vertebrado desde la condici��n pan��ptica del punto de observaci��n del acontecimiento: la cuarta pared, entendida como pantalla y punto de inflexi��n que estructura la convergencia de los entornos f��sico y digital. La reflexi��n acometida sobre la construcci��n del Entorno Aumentado procura la verificaci��n de la tesis, que es central en esta investigaci��n: la multiplicaci��n dimensional del lugar f��sico mediante su extensi��n con un campo informacional procedente del dominio digital, y sus efectos en la construcci��n de la nueva ecolog��a digital propia del Entorno Aumentado. Esta circunstancia se produce tras la eclosi��n de la Revoluci��n Digital en la segunda mitad del siglo XX, el consecuente incremento de la interacci��n entre los entornos digital y f��sico, y el alcance de un nivel superior de comunicaci��n en los procesos arquitect��nicos. Los s��ntomas del Entorno Aumentado se hacen notar en nuestra contemporaneidad; en ese sentido, la tesis alcanza un diagn��stico del cambio. La fractura y obsolescencia del l��mite espacio-temporal establecido por las dicotom��as hist��ricas privado-p��blico, casa-ciudad, trabajo-ocio,���etc., o la vigencia del proyecto procedimental son algunas de sus consecuencias en el modo de abordar la disciplina arquitect��nica. Abstract This dissertation aims to complete the theoretical attempts to clarify the digital domain imprint on the architectural realm. It constructs a critical cartography to reconstruct the process of such convergence, considering those principal events who have scheduled it. The integration of TIC���s digital extension through the traditional architectural context has meant the advent of an artificial complex ecosystem. This reality or concurrent process is called The Augmented Environment. The key research attempt explores man-machine interaction process in both synchronous converging trajectories. The analysis therefore addresses from the consideration of this dual nature, focusing simultaneously in humanizing digital domain process or how the computer fits the natural condition of human beings, and in digitalizing human beings or how it affords the digital imperative. The analysis is structured from the panoptic condition of the event scope: the fourth wall as screen that structures the convergence of physical and digital environments. The examination of The Augmented Environment���s assembly pretends the verification of the central point of this research: the dimensional multiplication of physical space by extending informational fields from the digital domain, and its effects on the construction of the Augmented Environment new digital ecology. This circumstance occurs after the arrival of the Digital Revolution in the second half of the twentieth century, with the consequent increase in the interaction between digital and physical environments, and the reach of a higher level of communication in architectural processes. The Augmented Environment signs are alive nowadays; in that sense, the thesis reaches a diagnostic of the changes. The fracture and obsolescence of the time-space limit established by historic dichotomies as private-public, home-city, working-leisure...etc., or the validity of the procedural design are some of its consequences on the architectural discipline.

Implementing the weakest failure detector for solving consensus

The concept of unreliable failure detector was introduced by Chandra and Toueg as a mechanism that provides information about process failures. This mechanism has been used to solve several agreement problems, such as the consensus problem. In this paper, algorithms that implement failure detectors in partially synchronous systems are presented. First two simple algorithms of the weakest class to solve the consensus problem, namely the Eventually Strong class (���S), are presented. While the first algorithm is wait-free, the second algorithm is f-resilient, where f is a known upper bound on the number of faulty processes. Both algorithms guarantee that, eventually, all the correct processes agree permanently on a common correct process, i.e. they also implement a failure detector of the class Omega (��). They are also shown to be optimal in terms of the number of communication links used forever. Additionally, a wait-free algorithm that implements a failure detector of the Eventually Perfect class (���P) is presented. This algorithm is shown to be optimal in terms of the number of bidirectional links used forever.

Multiphase Current Controlled Buck Converter with energy recycling Output Impedance Correction Circuit (OICC)

This work is related to the output impedance improvement of a Multiphase Buck converter with Peak Current Mode Control (PCMC) by means of introducing an additional power path that virtually increases the output capacitance during transients. Various solutions that can be employed to improve the dynamic behavior of the converter system exist, but nearly all solutions are developed for a Single Phase Buck converter with Voltage Mode Control (VMC), while in the VRM applications, due to the high currents, the system is usually implemented as a Multiphase Buck Converter with Current Mode Control. The Output Impedance Correction Circuit (OICC) is used to inject or extract a current n-1 times larger than the output capacitor current, thus virtually increasing n times the value of the output capacitance during the transients. Furthermore, this work extends the OICC concept to a Multiphase Buck Converter system while comparing proposed solution with the system that has n times bigger output capacitor. In addition, the OICC is implemented as a Synchronous Buck Converter with PCMC, thus reducing its influence on the system efficiency

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 comunicaci��n inal��mbricos resulta en complejas se��ales 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 t��picamente entre 4 y 10 dB de back-o_ desde la m��xima potencia de salida, ocasionando una baja eficiencia del sistema. La eliminaci��n y restauraci��n de la evolvente (EER) y el seguimiento de la evolvente (ET) son dos prometedoras t��cnicas para resolver el problema de la eficiencia. Tanto en EER como en ET, es complicado dise��ar un amplificador de potencia que sea eficiente para se��ales de RF de alto ancho de banda y alto PAPR. Una propuesta com��n para los amplificadores de potencia es incluir un convertidor de potencia de muy alta eficiencia operando a frecuencias m��s altas que el ancho de banda de la se��al RF. En este caso, la potencia perdida del convertidor ocasionado por la alta frecuencia desaconseja su pr��ctica cuando el ancho de banda es muy alto. La soluci��n a este problema es el enfoque de esta disertaci��n que presenta dos arquitecturas de amplificador evolvente: convertidor h��brido-serie con una t��cnica de evolvente lenta y un convertidor multinivel basado en un convertidor reductor multifase con control de tiempo m��nimo. En la primera arquitectura, una topolog��a h��brida est�� compuesta de una convertidor reductor conmutado y un regulador lineal en serie que trabajan juntos para ajustar la tensi��n de salida para seguir a la evolvente con precisi��n. Un algoritmo de generaci��n de una evolvente lenta crea una forma de onda con una pendiente limitada que es menor que la pendiente m��xima 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 conmutaci��n, porque la forma de onda no s��lo tiene una pendiente reducida sino tambi��n un menor ancho de banda. De esta forma, el regulador lineal se usa para filtrar la forma de onda tiene una p��rdida de potencia adicional. Dependiendo de cu��nto se puede reducir la pendiente de la evolvente para producir la forma de onda, existe un trade-off entre la p��rdida de potencia del convertidor reductor relacionada con la frecuencia de conmutaci��n y el regulador lineal. El punto ��ptimo referido a la menor p��rdida de potencia total del amplificador de evolvente es capaz de identificarse con la ayuda de modelo preciso de p��rdidas que es una combinaci��n de modelos comportamentales y anal��ticos de p��rdidas. Adem��s, 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 oscilaci��n resonante del filtro de salida porque el convertidor reductor opera en lazo abierto. La segunda arquitectura es un amplificador de evolvente de seguimiento de tensi��n multinivel. Al contrario que los convertidores que usan multi-fuentes, un convertidor reductor multifase se emplea para generar la tensi��n multinivel. En r��gimen permanente, el convertidor reductor opera en puntos del ciclo de trabajo con cancelaci��n completa del rizado. El n��mero de niveles de tensi��n es igual al n��mero de fases de acuerdo a las caracter��sticas del entrelazamiento del convertidor reductor. En la transici��n, un control de tiempo m��nimo (MTC) para convertidores multifase es novedosamente propuesto y desarrollado para cambiar la tensi��n de salida del convertidor reductor entre diferentes niveles. A diferencia de controles convencionales de tiempo m��nimo 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 r��gimen permanente despu��s de la transici��n para que la siguiente transici��n pueda empezar muy pronto, lo que es muy favorable para la aplicaci��n de seguimiento de tensi��n multinivel. Adem��s, 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 funci��n, conectada en serie con el convertidor reductor multifase. Dado que tanto el r��gimen permanente como el estado de transici��n del convertidor no est��n fuertemente relacionados con la frecuencia de conmutaci��n, la frecuencia de conmutaci��n puede ser reducida para el alto ancho de banda de la evolvente, la cual es la principal consideraci��n de esta arquitectura. La optimizaci��n de la segunda arquitectura para m��s alto anchos de banda de la evolvente es presentada incluyendo el dise��o del filtro de salida, la frecuencia de conmutaci��n y el n��mero de fases. El ��rea de dise��o del filtro est�� restringido por la transici��n r��pida y el m��nimo pulso del hardware. La r��pida transici��n necesita un filtro peque��o pero la limitaci��n del pulso m��nimo del hardware lleva el dise��o en el sentido contrario. La frecuencia de conmutaci��n del convertidor afecta principalmente a la limitaci��n del m��nimo pulso y a las p��rdidas de potencia. Con una menor frecuencia de conmutaci��n, el ancho de pulso en la transici��n es m��s peque��o. El n��mero de fases relativo a la aplicaci��n espec��fica puede ser optimizado en t��rminos de la eficiencia global. Otro aspecto de la optimizaci��n es mejorar la estrategia de control. La transici��n permite seguir algunas partes de la evolvente que son m��s r��pidas de lo que el hardware puede soportar al precio de complejidad. El nuevo m��todo de sincronizaci��n de la transici��n incrementa la frecuencia de la transici��n, permitiendo que la tensi��n multinivel est�� m��s cerca de la evolvente. Ambas estrategias permiten que el convertidor pueda seguir una evolvente con un ancho de banda m��s alto que la limitaci��n de la etapa de potencia. El modelo de p��rdidas del amplificador de evolvente se ha detallado y validado mediante medidas. El mecanismo de p��rdidas de potencia del convertidor reductor tiene que incluir las transiciones en tiempo real, lo cual es diferente del cl��sico modelos de p��rdidas de un convertidor reductor s��ncrono. Este modelo estima la eficiencia del sistema y juega un papel muy importante en el proceso de optimizaci��n. 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 energ��a 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.

High Efficiency Envelope Amplifier based on a Ripple Cancellation Buck Converter. Design, Optimization and Integration in an EER RFPA

Durante los ��ltimos a��os la tendencia en el sector de las telecomunicaciones ha sido un aumento y diversificaci��n en la transmisi��n de voz, video y fundamentalmente de datos. Para conseguir alcanzar las tasas de transmisi��n requeridas, los nuevos est��ndares de comunicaciones requieren un mayor ancho de banda y tienen un mayor factor de pico, lo cual influye en el bajo rendimiento del amplificador de radiofrecuencia (RFPA). Otro factor que ha influido en el bajo rendimiento es el dise��o del amplificador de radiofrecuencia. Tradicionalmente se han utilizado amplificadores lineales por su buen funcionamiento. Sin embargo, debido al elevado factor de pico de las se��ales transmitidas, el rendimiento de este tipo de amplificadores es bajo. El bajo rendimiento del sistema conlleva desventajas adicionales como el aumento del coste y del tama��o del sistema de refrigeraci��n, como en el caso de una estaci��n base, o como la reducci��n del tiempo de uso y un mayor calentamiento del equipo para sistemas port��tiles alimentados con bater��as. Debido a estos factores, se han desarrollado durante las ��ltimas d��cadas varias soluciones para aumentar el rendimiento del RFPA como la t��cnica de Outphasing, combinadores de potencia o la t��cnica de Doherty. Estas soluciones mejoran las prestaciones del RFPA y en alg��n caso han sido ampliamente utilizados comercialmente como la t��cnica de Doherty, que alcanza rendimientos hasta del 50% para el sistema completo para anchos de banda de hasta 20MHz. Pese a las mejoras obtenidas con estas soluciones, los mayores rendimientos del sistema se obtienen para soluciones basadas en la modulaci��n de la tensi��n de alimentaci��n del amplificador de potencia como ���Envelope Tracking��� o ���EER���. La t��cnica de seguimiento de envolvente o ���Envelope Tracking��� est�� basada en la modulaci��n de la tensi��n de alimentaci��n de un amplificador lineal de potencia para obtener una mejora en el rendimiento en el sistema comparado a una soluci��n con una tensi��n de alimentaci��n constante. Para la implementaci��n de esta t��cnica se necesita una etapa adicional, el amplificador de envolvente, que a��ade complejidad al amplificador de radiofrecuencia. En un amplificador dise��ado con esta t��cnica, se aumentan las p��rdidas debido a la etapa adicional que supone el amplificador de envolvente pero a su vez disminuyen las p��rdidas en el amplificador de potencia. Si el dise��o se optimiza adecuadamente, puede conseguirse un aumento global en el rendimiento del sistema superior al conseguido con las t��cnicas mencionadas anteriormente. Esta t��cnica presenta ventajas en el dise��o del amplificador de envolvente, ya que el ancho de banda requerido puede ser menor que el ancho de banda de la se��al de envolvente si se optimiza adecuadamente el dise��o. Adicionalmente, debido a que la sincronizaci��n entre la se��al de envolvente y de fase no tiene que ser perfecta, el proceso de integraci��n conlleva ciertas ventajas respecto a otras t��cnicas como EER. La t��cnica de eliminaci��n y restauraci��n de envolvente, llamada EER o t��cnica de Kahn est�� basada en modulaci��n simult��nea de la envolvente y la fase de la se��al usando un amplificador de potencia conmutado, no lineal y que permite obtener un elevado rendimiento. Esta soluci��n fue propuesta en el a��o 1952, pero no ha sido implementada con ��xito durante muchos a��os debido a los exigentes requerimientos en cuanto a la sincronizaci��n entre fase y envolvente, a las t��cnicas de control y de correcci��n de los errores y no linealidades de cada una de las etapas as�� como de los equipos para poder implementar estas t��cnicas, que tienen unos requerimientos exigentes en capacidad de c��lculo y procesamiento. Dentro del dise��o de un RFPA, el amplificador de envolvente tiene una gran importancia debido a su influencia en el rendimiento y ancho de banda del sistema completo. Adicionalmente, la linealidad y la calidad de la se��al de transmitida deben ser elevados para poder cumplir con los diferentes est��ndares de telecomunicaciones. Esta tesis se centra en el amplificador de envolvente y el objetivo principal es el desarrollo de soluciones que permitan el aumento del rendimiento total del sistema a la vez que satisfagan los requerimientos de ancho de banda, calidad de la se��al transmitida y de linealidad. Debido al elevado rendimiento que potencialmente puede alcanzarse con la t��cnica de EER, esta t��cnica ha sido objeto de an��lisis y en el estado del arte pueden encontrarse numerosas referencias que analizan el dise��o y proponen diversas implementaciones. En una clasificaci��n de alto nivel, podemos agrupar las soluciones propuestas del amplificador de envolvente seg��n est��n compuestas de una o m��ltiples etapas. Las soluciones para el amplificador de envolvente en una configuraci��n multietapa se basan en la combinaci��n de un convertidor conmutado, de elevado rendimiento con un regulador lineal, de alto ancho de banda, en una combinaci��n serie o paralelo. Estas soluciones, debido a la combinaci��n de las caracter��sticas de ambas etapas, proporcionan un buen compromiso entre rendimiento y buen funcionamiento del amplificador de RF. Por otro lado, la complejidad del sistema aumenta debido al mayor n��mero de componentes y de se��ales de control necesarias y el aumento de rendimiento que se consigue con estas soluciones es limitado. Una configuraci��n en una etapa tiene las ventajas de una mayor simplicidad, pero debido al elevado ancho de banda necesario, la frecuencia de conmutaci��n debe aumentarse en gran medida. Esto implicar�� un bajo rendimiento y un peor funcionamiento del amplificador de envolvente. En el estado del arte pueden encontrarse diversas soluciones para un amplificador de envolvente en una etapa, como aumentar la frecuencia de conmutaci��n y realizar la implementaci��n en un circuito integrado, que tendr�� mejor funcionamiento a altas frecuencias o utilizar t��cnicas topol��gicas y/o filtros de orden elevado, que permiten una reducci��n de la frecuencia de conmutaci��n. En esta tesis se propone de manera original el uso de la t��cnica de cancelaci��n de rizado, aplicado al convertidor reductor s��ncrono, para reducir la frecuencia de conmutaci��n comparado con dise��o equivalente del convertidor reductor convencional. Adicionalmente se han desarrollado dos variantes topol��gicas basadas en esta soluci��n para aumentar la robustez y las prestaciones de la misma. Otro punto de inter��s en el dise��o de un RFPA es la dificultad de poder estimar la influencia de los par��metros de dise��o del amplificador de envolvente en el amplificador final integrado. En esta tesis se ha abordado este problema y se ha desarrollado una herramienta de dise��o que permite obtener las principales figuras de m��rito del amplificador integrado para la t��cnica de EER a partir del dise��o del amplificador de envolvente. Mediante el uso de esta herramienta pueden validarse el efecto del ancho de banda, el rizado de tensi��n de salida o las no linealidades del dise��o del amplificador de envolvente para varias modulaciones digitales. Las principales contribuciones originales de esta tesis son las siguientes: ������La aplicaci��n de la t��cnica de cancelaci��n de rizado a un convertidor reductor s��ncrono para un amplificador de envolvente de alto rendimiento para un RFPA linealizado mediante la t��cnica de EER. ������Una reducci��n del 66% en la frecuencia de conmutaci��n, comparado con el reductor convencional equivalente. Esta reducci��n se ha validado experimentalmente obteni��ndose una mejora en el rendimiento de entre el 12.4% y el 16% para las especificaciones de este trabajo. ������La topolog��a y el dise��o del convertidor reductor con dos redes de cancelaci��n de rizado en cascada para mejorar el funcionamiento y robustez de la soluci��n con una red de cancelaci��n. ������La combinaci��n de un convertidor redactor multifase con la t��cnica de cancelaci��n de rizado para obtener una topolog��a que proporciona una reducci��n del cociente entre frecuencia de conmutaci��n y ancho de banda de la se��al. ������El proceso de optimizaci��n del control del amplificador de envolvente en lazo cerrado para mejorar el funcionamiento respecto a la soluci��n en lazo abierto del convertidor reductor con red de cancelaci��n de rizado. ������Una herramienta de simulaci��n para optimizar el proceso de dise��o del amplificador de envolvente mediante la estimaci��n de las figuras de m��rito del RFPA, implementado mediante EER, basada en el dise��o del amplificador de envolvente. ������La integraci��n y caracterizaci��n del amplificador de envolvente basado en un convertidor reductor con red de cancelaci��n de rizado en el transmisor de radiofrecuencia completo consiguiendo un elevado rendimiento, entre 57% y 70.6% para potencias de salida de 14.4W y 40.7W respectivamente. Esta tesis se divide en seis cap��tulos. El primer cap��tulo aborda la introducci��n enfocada en la aplicaci��n, los amplificadores de potencia de radiofrecuencia, as�� como los principales problemas, retos y soluciones existentes. En el cap��tulo dos se desarrolla el estado del arte de amplificadores de potencia de RF, describi��ndose las principales t��cnicas de dise��o, las causas de no linealidad y las t��cnicas de optimizaci��n. El cap��tulo tres est�� centrado en las soluciones propuestas para el amplificador de envolvente. El modo de control se ha abordado en este cap��tulo y se ha presentado una optimizaci��n del dise��o en lazo cerrado para el convertidor reductor convencional y para el convertidor reductor con red de cancelaci��n de rizado. El cap��tulo cuatro se centra en el proceso de dise��o del amplificador de envolvente. Se ha desarrollado una herramienta de dise��o para evaluar la influencia del amplificador de envolvente en las figuras de m��rito del RFPA. En el cap��tulo cinco se presenta el proceso de integraci��n realizado y las pruebas realizadas para las diversas modulaciones, as�� como la completa caracterizaci��n y an��lisis del amplificador de RF. El cap��tulo seis describe las principales conclusiones de la tesis y las l��neas futuras. ABSTRACT The trend in the telecommunications sector during the last years follow a high increase in the transmission rate of voice, video and mainly in data. To achieve the required levels of data rates, the new modulation standards demand higher bandwidths and have a higher peak to average power ratio (PAPR). These specifications have a direct impact in the low efficiency of the RFPA. An additional factor for the low efficiency of the RFPA is in the power amplifier design. Traditionally, linear classes have been used for the implementation of the power amplifier as they comply with the technical requirements. However, they have a low efficiency, especially in the operating range of signals with a high PAPR. The low efficiency of the transmitter has additional disadvantages as an increase in the cost and size as the cooling system needs to be increased for a base station and a temperature increase and a lower use time for portable devices. Several solutions have been proposed in the state of the art to improve the efficiency of the transmitter as Outphasing, power combiners or Doherty technique. However, the highest potential of efficiency improvement can be obtained using a modulated power supply for the power amplifier, as in the Envelope Tracking and EER techniques. The Envelope Tracking technique is based on the modulation of the power supply of a linear power amplifier to improve the overall efficiency compared to a fixed voltage supply. In the implementation of this technique an additional stage is needed, the envelope amplifier, that will increase the complexity of the RFPA. However, the efficiency of the linear power amplifier will increase and, if designed properly, the RFPA efficiency will be improved. The advantages of this technique are that the envelope amplifier design does not require such a high bandwidth as the envelope signal and that in the integration process a perfect synchronization between envelope and phase is not required. The Envelope Elimination and Restoration (EER) technique, known also as Kahn���s technique, is based on the simultaneous modulation of envelope and phase using a high efficiency switched power amplifier. This solution has the highest potential in terms of the efficiency improvement but also has the most challenging specifications. This solution, proposed in 1952, has not been successfully implemented until the last two decades due to the high demanding requirements for each of the stages as well as for the highly demanding processing and computation capabilities needed. At the system level, a very precise synchronization is required between the envelope and phase paths to avoid a linearity decrease of the system. Several techniques are used to compensate the non-linear effects in amplitude and phase and to improve the rejection of the out of band noise as predistortion, feedback and feed-forward. In order to obtain a high bandwidth and efficient RFPA using either ET or EER, the envelope amplifier stage will have a critical importance. The requirements for this stage are very demanding in terms of bandwidth, linearity and quality of the transmitted signal. Additionally the efficiency should be as high as possible, as the envelope amplifier has a direct impact in the efficiency of the overall system. This thesis is focused on the envelope amplifier stage and the main objective will be the development of high efficiency envelope amplifier solutions that comply with the requirements of the RFPA application. The design and optimization of an envelope amplifier for a RFPA application is a highly referenced research topic, and many solutions that address the envelope amplifier and the RFPA design and optimization can be found in the state of the art. From a high level classification, multiple and single stage envelope amplifiers can be identified. Envelope amplifiers for EER based on multiple stage architecture combine a linear assisted stage and a switched-mode stage, either in a series or parallel configuration, to achieve a very high performance RFPA. However, the complexity of the system increases and the efficiency improvement is limited. A single-stage envelope amplifier has the advantage of a lower complexity but in order to achieve the required bandwidth the switching frequency has to be highly increased, and therefore the performance and the efficiency are degraded. Several techniques are used to overcome this limitation, as the design of integrated circuits that are capable of switching at very high rates or the use of topological solutions, high order filters or a combination of both to reduce the switching frequency requirements. In this thesis it is originally proposed the use of the ripple cancellation technique, applied to a synchronous buck converter, to reduce the switching frequency requirements compared to a conventional buck converter for an envelope amplifier application. Three original proposals for the envelope amplifier stage, based on the ripple cancellation technique, are presented and one of the solutions has been experimentally validated and integrated in the complete amplifier, showing a high total efficiency increase compared to other solutions of the state of the art. Additionally, the proposed envelope amplifier has been integrated in the complete RFPA achieving a high total efficiency. The design process optimization has also been analyzed in this thesis. Due to the different figures of merit between the envelope amplifier and the complete RFPA it is very difficult to obtain an optimized design for the envelope amplifier. To reduce the design uncertainties, a design tool has been developed to provide an estimation of the RFPA figures of merit based on the design of the envelope amplifier. The main contributions of this thesis are: ������The application of the ripple cancellation technique to a synchronous buck converter for an envelope amplifier application to achieve a high efficiency and high bandwidth EER RFPA. ������A 66% reduction of the switching frequency, validated experimentally, compared to the equivalent conventional buck converter. This reduction has been reflected in an improvement in the efficiency between 12.4% and 16%, validated for the specifications of this work. ������The synchronous buck converter with two cascaded ripple cancellation networks (RCNs) topology and design to improve the robustness and the performance of the envelope amplifier. ������The combination of a phase-shifted multi-phase buck converter with the ripple cancellation technique to improve the envelope amplifier switching frequency to signal bandwidth ratio. ������The optimization of the control loop of an envelope amplifier to improve the performance of the open loop design for the conventional and ripple cancellation buck converter. ������A simulation tool to optimize the envelope amplifier design process. Using the envelope amplifier design as the input data, the main figures of merit of the complete RFPA for an EER application are obtained for several digital modulations. ������The successful integration of the envelope amplifier based on a RCN buck converter in the complete RFPA obtaining a high efficiency integrated amplifier. The efficiency obtained is between 57% and 70.6% for an output power of 14.4W and 40.7W respectively. The main figures of merit for the different modulations have been characterized and analyzed. This thesis is organized in six chapters. In Chapter 1 is provided an introduction of the RFPA application, where the main problems, challenges and solutions are described. In Chapter 2 the technical background for radiofrequency power amplifiers (RF) is presented. The main techniques to implement an RFPA are described and analyzed. The state of the art techniques to improve performance of the RFPA are identified as well as the main sources of no-linearities for the RFPA. Chapter 3 is focused on the envelope amplifier stage. The three different solutions proposed originally in this thesis for the envelope amplifier are presented and analyzed. The control stage design is analyzed and an optimization is proposed both for the conventional and the RCN buck converter. Chapter 4 is focused in the design and optimization process of the envelope amplifier and a design tool to evaluate the envelope amplifier design impact in the RFPA is presented. Chapter 5 shows the integration process of the complete amplifier. Chapter 6 addresses the main conclusions of the thesis and the future work.

Multidisciplinary Design Optimization Application to Conceptual Design of University-class Microsatellite Projects

Esta tesis se ha realizado en el contexto del proyecto UPMSat-2, que es un microsat��lite dise��ado, construido y operado por el Instituto Universitario de Microgravedad "Ignacio Da Riva" (IDR / UPM) de la Universidad Polit��cnica de Madrid. Aplicaci��n de la metodolog��a Ingenier��a Concurrente (Concurrent Engineering: CE) en el marco de la aplicaci��n de dise��o multidisciplinar (Multidisciplinary Design Optimization: MDO) es uno de los principales objetivos del presente trabajo. En los ��ltimos a��os, ha habido un inter��s continuo en la participaci��n de los grupos de investigaci��n de las universidades en los estudios de la tecnolog��a espacial a trav��s de sus propios microsat��lites. La participaci��n en este tipo de proyectos tiene algunos desaf��os inherentes, tales como presupuestos y servicios limitados. Adem��s, debido al hecho de que el objetivo principal de estos proyectos es fundamentalmente educativo, por lo general hay incertidumbres en cuanto a su misi��n en ��rbita y cargas ��tiles en las primeras fases del proyecto. Por otro lado, existen limitaciones predeterminadas para sus presupuestos de masa, volumen y energ��a, debido al hecho de que la mayor��a de ellos est��n considerados como una carga ��til auxiliar para el lanzamiento. De este modo, el costo de lanzamiento se reduce considerablemente. En este contexto, el subsistema estructural del sat��lite es uno de los m��s afectados por las restricciones que impone el lanzador. Esto puede afectar a diferentes aspectos, incluyendo las dimensiones, la resistencia y los requisitos de frecuencia. En la primera parte de esta tesis, la atenci��n se centra en el desarrollo de una herramienta de dise��o del subsistema estructural que eval��a, no s��lo las propiedades de la estructura primaria como variables, sino tambi��n algunas variables de nivel de sistema del sat��lite, como la masa de la carga ��til y la masa y las dimensiones extremas de sat��lite. Este enfoque permite que el equipo de dise��o obtenga una mejor visi��n del dise��o en un espacio de dise��o extendido. La herramienta de dise��o estructural se basa en las f��rmulas y los supuestos apropiados, incluyendo los modelos est��ticos y din��micos del sat��lite. Un algoritmo gen��tico (Genetic Algorithm: GA) se aplica al espacio de dise��o para optimizaciones de objetivo ��nico y tambi��n multiobjetivo. El resultado de la optimizaci��n multiobjetivo es un Pareto-optimal basado en dos objetivo, la masa total de sat��lites m��nimo y el m��ximo presupuesto de masa de carga ��til. Por otro lado, la aplicaci��n de los microsat��lites en misiones espaciales es de inter��s por su menor coste y tiempo de desarrollo. La gran necesidad de las aplicaciones de teledetecci��n es un fuerte impulsor de su popularidad en este tipo de misiones espaciales. Las misiones de tele-observaci��n por sat��lite son esenciales para la investigaci��n de los recursos de la tierra y el medio ambiente. En estas misiones existen interrelaciones estrechas entre diferentes requisitos como la altitud orbital, tiempo de revisita, el ciclo de vida y la resoluci��n. Adem��s, todos estos requisitos puede afectar a toda las caracter��sticas de dise��o. Durante los ��ltimos a��os la aplicaci��n de CE en las misiones espaciales ha demostrado una gran ventaja para llegar al dise��o ��ptimo, teniendo en cuenta tanto el rendimiento y el costo del proyecto. Un ejemplo bien conocido de la aplicaci��n de CE es la CDF (Facilidad Dise��o Concurrente) de la ESA (Agencia Espacial Europea). Est�� claro que para los proyectos de microsat��lites universitarios tener o desarrollar una instalaci��n de este tipo parece estar m��s all�� de las capacidades del proyecto. Sin embargo, la pr��ctica de la CE a cualquier escala puede ser beneficiosa para los microsat��lites universitarios tambi��n. En la segunda parte de esta tesis, la atenci��n se centra en el desarrollo de una estructura de optimizaci��n de dise��o multidisciplinar (Multidisciplinary Design Optimization: MDO) aplicable a la fase de dise��o conceptual de microsat��lites de teledetecci��n. Este enfoque permite que el equipo de dise��o conozca la interacci��n entre las diferentes variables de dise��o. El esquema MDO presentado no s��lo incluye variables de nivel de sistema, tales como la masa total del sat��lite y la potencia total, sino tambi��n los requisitos de la misi��n como la resoluci��n y tiempo de revisita. El proceso de dise��o de microsat��lites se divide en tres disciplinas; a) dise��o de ��rbita, b) dise��o de carga ��til y c) dise��o de plataforma. En primer lugar, se calculan diferentes par��metros de misi��n para un rango pr��ctico de ��rbitas helio-s��ncronas (sun-synchronous orbits: SS-Os). Luego, seg��n los par��metros orbitales y los datos de un instrumento como referencia, se calcula la masa y la potencia de la carga ��til. El dise��o de la plataforma del sat��lite se estima a partir de los datos de la masa y potencia de los diferentes subsistemas utilizando relaciones emp��ricas de dise��o. El dise��o del subsistema de potencia se realiza teniendo en cuenta variables de dise��o m��s detalladas, como el escenario de la misi��n y diferentes tipos de c��lulas solares y bater��as. El escenario se selecciona, de modo de obtener una banda de cobertura sobre la superficie terrestre paralelo al Ecuador despu��s de cada intervalo de revisita. Con el objetivo de evaluar las interrelaciones entre las diferentes variables en el espacio de dise��o, todas las disciplinas de dise��o mencionados se combinan en un c��digo unificado. Por ��ltimo, una forma b��sica de MDO se ajusta a la herramienta de dise��o de sistema de sat��lite. La optimizaci��n del dise��o se realiza por medio de un GA con el ��nico objetivo de minimizar la masa total de microsat��lite. Seg��n los resultados obtenidos de la aplicaci��n del MDO, existen diferentes puntos de dise��os ��ptimos, pero con diferentes variables de misi��n. Este an��lisis demuestra la aplicabilidad de MDO para los estudios de ingenier��a de sistema en la fase de dise��o conceptual en este tipo de proyectos. La principal conclusi��n de esta tesis, es que el dise��o cl��sico de los sat��lites que por lo general comienza con la definici��n de la misi��n y la carga ��til no es necesariamente la mejor metodolog��a para todos los proyectos de sat��lites. Un microsat��lite universitario, es un ejemplo de este tipo de proyectos. Por eso, se han desarrollado un conjunto de herramientas de dise��o para encarar los estudios de la fase inicial de dise��o. Este conjunto de herramientas incluye diferentes disciplinas de dise��o centrados en el subsistema estructural y teniendo en cuenta una carga ��til desconocida a priori. Los resultados demuestran que la m��nima masa total del sat��lite y la m��xima masa disponible para una carga ��til desconocida a priori, son objetivos conflictivos. En este contexto para encontrar un Pareto-optimal se ha aplicado una optimizaci��n multiobjetivo. Seg��n los resultados se concluye que la selecci��n de la masa total por sat��lite en el rango de 40-60 kg puede considerarse como ��ptima para un proyecto de microsat��lites universitario con carga ��til desconocida a priori. Tambi��n la metodolog��a CE se ha aplicado al proceso de dise��o conceptual de microsat��lites de teledetecci��n. Los resultados de la aplicaci��n del CE proporcionan una clara comprensi��n de la interacci��n entre los requisitos de dise��o de sistemas de sat��lites, tales como la masa total del microsat��lite y la potencia y los requisitos de la misi��n como la resoluci��n y el tiempo de revisita. La aplicaci��n de MDO se hace con la minimizaci��n de la masa total de microsat��lite. Los resultados de la aplicaci��n de MDO aclaran la relaci��n clara entre los diferentes requisitos de dise��o del sistema y de misi��n, as�� como que permiten seleccionar las l��neas de base para el dise��o ��ptimo con el objetivo seleccionado en las primeras fase de dise��o. ABSTRACT This thesis is done in the context of UPMSat-2 project, which is a microsatellite under design and manufacturing at the Instituto Universitario de Microgravedad ���Ignacio Da Riva��� (IDR/UPM) of the Universidad Polit��cnica de Madrid. Application of Concurrent Engineering (CE) methodology in the framework of Multidisciplinary Design application (MDO) is one of the main objectives of the present work. In recent years, there has been continuing interest in the participation of university research groups in space technology studies by means of their own microsatellites. The involvement in such projects has some inherent challenges, such as limited budget and facilities. Also, due to the fact that the main objective of these projects is for educational purposes, usually there are uncertainties regarding their in orbit mission and scientific payloads at the early phases of the project. On the other hand, there are predetermined limitations for their mass and volume budgets owing to the fact that most of them are launched as an auxiliary payload in which the launch cost is reduced considerably. The satellite structure subsystem is the one which is most affected by the launcher constraints. This can affect different aspects, including dimensions, strength and frequency requirements. In the first part of this thesis, the main focus is on developing a structural design sizing tool containing not only the primary structures properties as variables but also the satellite system level variables such as payload mass budget and satellite total mass and dimensions. This approach enables the design team to obtain better insight into the design in an extended design envelope. The structural design sizing tool is based on the analytical structural design formulas and appropriate assumptions including both static and dynamic models of the satellite. A Genetic Algorithm (GA) is applied to the design space for both single and multiobejective optimizations. The result of the multiobjective optimization is a Pareto-optimal based on two objectives, minimum satellite total mass and maximum payload mass budget. On the other hand, the application of the microsatellites is of interest for their less cost and response time. The high need for the remote sensing applications is a strong driver of their popularity in space missions. The satellite remote sensing missions are essential for long term research around the condition of the earth resources and environment. In remote sensing missions there are tight interrelations between different requirements such as orbital altitude, revisit time, mission cycle life and spatial resolution. Also, all of these requirements can affect the whole design characteristics. During the last years application of the CE in the space missions has demonstrated a great advantage to reach the optimum design base lines considering both the performance and the cost of the project. A well-known example of CE application is ESA (European Space Agency) CDF (Concurrent Design Facility). It is clear that for the university-class microsatellite projects having or developing such a facility seems beyond the project capabilities. Nevertheless practicing CE at any scale can be beneficiary for the university-class microsatellite projects. In the second part of this thesis, the main focus is on developing a MDO framework applicable to the conceptual design phase of the remote sensing microsatellites. This approach enables the design team to evaluate the interaction between the different system design variables. The presented MDO framework contains not only the system level variables such as the satellite total mass and total power, but also the mission requirements like the spatial resolution and the revisit time. The microsatellite sizing process is divided into the three major design disciplines; a) orbit design, b) payload sizing and c) bus sizing. First, different mission parameters for a practical range of sun-synchronous orbits (SS-Os) are calculated. Then, according to the orbital parameters and a reference remote sensing instrument, mass and power of the payload are calculated. Satellite bus sizing is done based on mass and power calculation of the different subsystems using design estimation relationships. In the satellite bus sizing, the power subsystem design is realized by considering more detailed design variables including a mission scenario and different types of solar cells and batteries. The mission scenario is selected in order to obtain a coverage belt on the earth surface parallel to the earth equatorial after each revisit time. In order to evaluate the interrelations between the different variables inside the design space all the mentioned design disciplines are combined in a unified code. The integrated satellite system sizing tool developed in this section is considered as an application of the CE to the conceptual design of the remote sensing microsatellite projects. Finally, in order to apply the MDO methodology to the design problem, a basic MDO framework is adjusted to the developed satellite system design tool. Design optimization is done by means of a GA single objective algorithm with the objective function as minimizing the microsatellite total mass. According to the results of MDO application, there exist different optimum design points all with the minimum satellite total mass but with different mission variables. This output demonstrates the successful applicability of MDO approach for system engineering trade-off studies at the conceptual design phase of the design in such projects. The main conclusion of this thesis is that the classical design approach for the satellite design which usually starts with the mission and payload definition is not necessarily the best approach for all of the satellite projects. The university-class microsatellite is an example for such projects. Due to this fact an integrated satellite sizing tool including different design disciplines focusing on the structural subsystem and considering unknown payload is developed. According to the results the satellite total mass and available mass for the unknown payload are conflictive objectives. In order to find the Pareto-optimal a multiobjective GA optimization is conducted. Based on the optimization results it is concluded that selecting the satellite total mass in the range of 40-60 kg can be considered as an optimum approach for a university-class microsatellite project with unknown payload(s). Also, the CE methodology is applied to the remote sensing microsatellites conceptual design process. The results of CE application provide a clear understanding of the interaction between satellite system design requirements such as satellite total mass and power and the satellite mission variables such as revisit time and spatial resolution. The MDO application is done with the total mass minimization of a remote sensing satellite. The results from the MDO application clarify the unclear relationship between different system and mission design variables as well as the optimum design base lines according to the selected objective during the initial design phases.

Dise��o y fabricaci��n de un equipo de pr��cticas para el aprendizaje del proceso de sincronizaci��n de generadores s��ncronos a la red

La finalidad del proyecto es el dise��o y la fabricaci��n de un equipo de pr��cticas que permita a los alumnos ensayar el proceso de sincronizaci��n real de un generador s��ncrono a la red. El dise��o consiste en un equipo de pr��cticas con el cual el alumno deber�� acoplar el generador, previa verificaci��n de la tensi��n, frecuencia y ��ngulo de fase con un sincronoscopio monof��sico. Durante el proceso, el profesor podr�� ir provocando errores de fase en las tensiones que el alumno deber�� corregir. Al t��rmino del proceso, el alumno, si ha conseguido acoplar el generador, recibir�� una calificaci��n sobre diez en una pantalla LCD. Posteriormente se llevaran a cabo ensayos con alumnos voluntarios. ABSTRACT The purpose of the project is the design and manufacture of an equipment which allows students to perform the process of synchronization of a synchronous generator to the grid. The design consists of an equipment with which students must synchronize the generator to the grid, after checking voltage, frequency or phase angle with a single-phase synchronoscope. During that process, the teacher can cause phase angle errors in the voltage which students must solve. At the end of the process, if students have been able to synchronize the generator to the grid, they will receive a mark on an LCD screen. Afterwards a testing is going to be run by volunteers.

Nuevo "sistema de desexcitaci��n r��pida para m��quinas s��ncronas con excitaci��n brushless" (HSBDS) en un generador de 15 MVA

Las m��quinas s��ncronas con excitaci��n indirecta sin escobillas (tipo brushless) presentan el problema de que no es posible acceder al devanado de campo para desexcitar la m��quina. Esto provoca que, a pesar de la operaci��n correcta del sistema de protecciones, la lenta constante de tiempo de desexcitaci��n pueda producir graves da��os en el caso de un cortocircuito interno. En este documento se presentan las pruebas de un novedoso sistema de desexcitaci��n r��pida para este tipo de m��quinas en un generador de 15 MVA. La desexcitaci��n se consigue introduciendo una resistencia en el circuito de campo, obteniendo una respuesta din��mica similar a la que se consigue en las m��quinas con excitaci��n est��tica. La principal aportaci��n de este estudio es la adaptaci��n del m��todo a m��quinas de tama��o industrial y las diversas pruebas realizadas en un generador de 15 MVA validando el correcto funcionamiento de este sistema. Synchronous machines with brushless excitation have the disadvantage that the field winding is no accessible for the de-excitation. This means that, despite the proper operation of the protection system, the slow de-excitation time constant may produce severe damage in the event of an internal short circuit. In this paper the test in a 15 MVA generator of a novel high-speed de-excitation system for brushless synchronous machines is presented. The de-excitation is achieved by inserting a resistance in the field circuit, obtaining a dynamic response similar to that archived in machines with static excitation. The main novelty of this paper is the use of this method in a industrial size machine. This system has been validated through experimental tests on a 15 MVA generator, with satisfactory results.

Complejidad Esencial: Un argumento por la complementariedad entre ciencia y sensibilidad = Essential Complexity: An argument for complementarity between science and sensibility

Esta investigaci��n recoge un c��mulo de intereses en torno a un modo de generar arquitectura muy espec��fico: La producci��n de objetos con una forma subyacente no aprior��stica. Los conocimientos expuestos se apoyan en condiciones del pensamiento reciente que impulsan la ilusi��n por alimentar la fuente creativa de la arquitectura con otros campos del saber. Los tiempos del conocimiento animista sensible y el conocimiento objetivo de car��cter cient��fico son correlativos en la historia pero casi nunca han sido sincr��nicos. Representa asimismo un intento por aunar los dos tipos de conocimiento retomando la inercia que ya se present��a a comienzos del siglo XX. Se trata por tanto, de un ensayo sobre la posible anulaci��n de la contraposici��n entre estos dos mundos para pasar a una complementariedad entre ambos en una sola visi��n conjunta compartida. Como meta final de esta investigaci��n se presenta el desarrollo de un sistema cr��tico de an��lisis para los objetos arquitect��nicos que permita una diferenciaci��n entre aquellos que responden a los problemas de manera completa y sincera y aquellos otros que esconden, bajo una superficie consensuada, la falta de un m��todo resolutivo de la complejidad en el presente creativo. La Investigaci��n observa tres grupos de conocimiento diferenciados agrupados en sus cap��tulos correspondientes: El primer cap��tulo versa sobre el Impulso Creador. En ��l se define la necesidad de crear un marco para el individuo creador, aquel que independientemente de las fuerzas sociales del momento presiente que existe algo m��s all�� que est�� sin resolver. Denominamos aqu�� ���creador rebelde��� a un tipo de personaje reconocible a lo largo de la Historia como aquel capaz de reconocer los cambios que ese operan en su presente y que utiliza para descubrir lo nuevo y acercarse algo al origen creativo. En el momento actual ese tipo de personaje es el que intuye o ya ha intuido hace tiempo la existencia de una complejidad creciente no obviable en el pensamiento de este tiempo. El segundo cap��tulo desarrolla algunas Propiedades de Sistemas de actuaci��n creativa. En ��l se muestra una investigaci��n que desarrolla un marco de conocimientos cient��ficos muy espec��ficos de nuestro tiempo que la arquitectura, de momento, no ha absorbido ni refleja de manera directa en su manera de crear. Son temas de presencia casi ya mundana en la sociedad pero que se resisten a ser incluidos en los procesos creativos como parte de la conciencia. La mayor��a de ellos hablan de precisi��n, ��rdenes invisibles, propiedades de la materia o la energ��a tratados de manera objetiva y apol��tica. La meta final supone el acercamiento e incorporaci��n de estos conceptos y propiedades a nuestro mundo sensible unific��ndolos indisociablemente bajo un solo punto de vista. El ��ltimo cap��tulo versa sobre la Complejidad y su capacidad de reducci��n a lo esencial. Aqu�� se muestran, a modo de conclusiones, la introducci��n de varios conceptos para el desarrollo de un sistema cr��tico hacia la arquitectura de nuestro tiempo. Entre ellos, el de Complejidad Esencial, definido como aquella de car��cter inevitable a la hora de responder la arquitectura a los problemas y solicitaciones crecientes a los que se enfrenta en el presente. La Tesis mantiene la importancia de informar sobre la imposibilidad en el estado actual de las cosas de responder de manera sincera con soluciones de car��cter simplista y la necesidad, por tanto, de soluciones necesarias de car��cter complejo. En este sentido se define asimismo el concepto de Forma Subyacente como herramienta cr��tica para poder evaluar la respuesta de cada arquitectura y poder tener un sistema y visi��n cr��tica sobre lo que es un objeto consistente frente a la situaci��n a la que se enfrenta. Dicha forma subyacente se define como aquella manera de entender conjuntamente y de manera sincr��nica aquello que percibimos de manera sensible inseparable de las fuerzas ocultas, creativas, tecnol��gicas, materiales y energ��ticas que sustentan la definici��n y entendimiento de cualquier objeto construido. ABSTRACT This research includes a cluster of interests around a specific way to generate architecture: The production of objects without an a priori underlying form. The knowledge presented is based on current conditions of thought promoting the illusion to feed the creative source of architecture with other fields of knowledge. The sensible animist knowledge and objective scientific knowledge are correlative in history but have rarely been synchronous. This research is also an attempt to combine both types of knowledge to regain the inertia already sensed in the early twentieth century. It is therefore an essay on the annulment of the opposition between these two worlds to move towards complementarities of both in a single shared vision. The ultimate goal of this research is to present the development of a critical analysis system for architectural objects that allows differentiation between those who respond to the problems sincerely and those who hide under an agreed appearance, the lack of a method for solving the complexity of the creative present. The research observes three distinct groups of knowledge contained in their respective chapters: The first chapter deals with the Creative Impulse. In it is defined the need to create a framework for the creative individual who, regardless of the current social forces, forebodes that there is something hidden beyond which is still unresolved. We define the "rebel creator" as a kind of person existing throughout history who is able to recognize the changes operating in its present and use them to discover something new and get closer to the origin of creation. At present, this type of character is the one who intuits the existence of a non obviable increasing complexity in society and thought. The second chapter presents some systems, and their properties, for creative performance. It describes the development of a framework composed of current scientific knowledge that architecture has not yet absorbed or reflected directly in her procedures. These are issues of common presence in society but are still reluctant to be included in the creative processes even if they already belong to the collective consciousness. Most of them talk about accuracy, invisible orders, properties of matter and energy, always treated from an objective and apolitical perspective. The ultimate goal pursues the approach and incorporation of these concepts and properties to the sensible world, inextricably unifying all under a single point of view. The last chapter deals with complexity and the ability to reduce it to the essentials. Here we show, as a conclusion, the introduction of several concepts to develop a critical approach to analyzing the architecture of our time. Among them, the concept of Essential Complexity, defined as one that inevitably arises when architecture responds to the increasing stresses that faces today. The thesis maintains the importance of reporting, in the present state of things, the impossibility to respond openly with simplistic solutions and, therefore, the need for solutions to complex character. In this sense, the concept of Underlying Form is defined as a critical tool to evaluate the response of each architecture and possess a critical system to clarify what is an consistent object facing a certain situation. The underlying form is then defined as a way to synchronously understand what we perceive sensitively inseparable from the hidden forces of creative, technological, material and energetic character that support the definition and understanding of any constructed object.

Design and optimization of optical, fiber based PSK demodulators for high-bit-rate optical networks

El objetivo principal de esta tesis ha sido el dise��o y la optimizaci��n de receptores implementados con fibra ��ptica, para ser usados en redes ��pticas de alta velocidad que empleen formatos de modulaci��n de fase. En los ��ltimos a��os, los formatos de modulaci��n de fase (Phase Shift keying, PSK) han captado gran atenci��n debido a la mejora de sus prestaciones respecto a los formatos de modulaci��n convencionales. Principalmente, presentan una mejora de la eficiencia espectral y una mayor tolerancia a la degradaci��n de la se��al causada por la dispersi��n crom��tica, la dispersi��n por modo de polarizaci��n y los efectos no-lineales en la fibra ��ptica. En este trabajo, se analizan en detalle los formatos PSK, incluyendo sus variantes de modulaci��n de fase diferencial (Differential Phase Shift Keying, DPSK), en cuadratura (Differential Quadrature Phase Shift Keying, DQPSK) y multiplexaci��n en polarizaci��n (Polarization Multiplexing Differential Quadrature Phase Shift Keying, PM-DQPSK), con la finalidad de dise��ar y optimizar los receptores que permita su demodulaci��n. Para ello, se han analizado y desarrollado nuevas estructuras que ofrecen una mejora en las prestaciones del receptor y una reducci��n de coste comparadas con las actualmente disponibles. Para la demodulaci��n de se��ales DPSK, en esta tesis, se proponen dos nuevos receptores basados en un interfer��metro en l��nea Mach-Zehnder (MZI) implementado con tecnolog��a todo-fibra. El principio de funcionamiento de los MZI todo-fibra propuestos se asienta en la interferencia modal que se produce en una fibra multimodo (MMF) cuando se situada entre dos monomodo (SMF). Este tipo de configuraci��n (monomodo-multimodo-monomodo, SMS) presenta un buen ratio de extinci��n interferente si la potencia acoplada en la fibra multimodo se reparte, principal y equitativamente, entre dos modos dominantes. Con este objetivo, se han estudiado y demostrado tanto te��rica como experimentalmente dos nuevas estructuras SMS que mejoran el ratio de extinci��n. Una de las propuestas se basa en emplear una fibra multimodo de ��ndice gradual cuyo perfil del ��ndice de refracci��n presenta un hundimiento en su zona central. La otra consiste en una estructura SMS con las fibras desalineadas y donde la fibra multimodo es una fibra de ��ndice gradual convencional. Para las dos estructuras, mediante el an��lisis te��rico desarrollado, se ha demostrado que el 80 ��� 90% de la potencia de entrada se acopla a los dos modos dominantes de la fibra multimodo y se consigue una diferencia inferior al 10% entre ellos. Tambi��n se ha demostrado experimentalmente que se puede obtener un ratio de extinci��n de al menos 12 dB. Con el objeto de demostrar la capacidad de estas estructuras para ser empleadas como demoduladores de se��ales DPSK, se han realizado numerosas simulaciones de un sistema de transmisi��n ��ptico completo y se ha analizado la calidad del receptor bajo diferentes perspectivas, tales como la sensibilidad, la tolerancia a un filtrado ��ptico severo o la tolerancia a las dispersiones crom��tica y por modo de polarizaci��n. En todos los casos se ha concluido que los receptores propuestos presentan rendimientos comparables a los obtenidos con receptores convencionales. En esta tesis, tambi��n se presenta un dise��o alternativo para la implementaci��n de un receptor DQPSK, basado en el uso de una fibra mantenedora de la polarizaci��n (PMF). A trav��s del an��lisi te��rico y del desarrollo de simulaciones num��ricas, se ha demostrado que el receptor DQPSK propuesto presenta prestaciones similares a los convencionales. Para complementar el trabajo realizado sobre el receptor DQPSK basado en PMF, se ha extendido el estudio de su principio de demodulaci��n con el objeto de demodular se��ales PM-DQPSK, obteniendo como resultado la propuesta de una nueva estructura de demodulaci��n. El receptor PM-DQPSK propuesto se basa en la estructura conjunta de una ��nica l��nea de retardo junto con un rotador de polarizaci��n. Se ha analizado la calidad de los receptores DQPSK y PM-DQPSK bajo diferentes perspectivas, tales como la sensibilidad, la tolerancia a un filtrado ��ptico severo, la tolerancia a las dispersiones crom��tica y por modo de polarizaci��n o su comportamiento bajo condiciones no-ideales. En comparaci��n con los receptores convencionales, nuestra propuesta exhibe prestaciones similares y adem��s permite un dise��o m��s simple que redunda en un coste potencialmente menor. En las redes de comunicaciones ��pticas actuales se utiliza la tecnolog��a de multimplexaci��n en longitud de onda (WDM) que obliga al uso de filtros ��pticos con bandas de paso lo m��s estrechas posibles y a emplear una serie de dispositivos que incorporan filtros en su arquitectura, tales como los multiplexores, demultiplexores, ROADMs, conmutadores y OXCs. Todos estos dispositivos conectados entre s�� son equivalentes a una cadena de filtros cuyo ancho de banda se va haciendo cada vez m��s estrecho, llegando a distorsionar la forma de onda de las se��ales. Por esto, adem��s de analizar el impacto del filtrado ��ptico en las se��ales de 40 Gbps DQPSK y 100 Gbps PM-DQPSK, este trabajo de tesis se completa estudiando qu�� tipo de filtro ��ptico minimiza las degradaciones causadas en la se��al y analizando el n��mero m��ximo de filtros concatenados que permiten mantener la calidad requerida al sistema. Se han estudiado y simulado cuatro tipos de filtros ��pticos;Butterworth, Bessel, FBG y F-P. ABSTRACT The objective of this thesis is the design and optimization of optical fiber-based phase shift keying (PSK) demodulators for high-bit-rate optical networks. PSK modulation formats have attracted significant attention in recent years, because of the better performance with respect to conventional modulation formats. Principally, PSK signals can improve spectrum efficiency and tolerate more signal degradation caused by chromatic dispersion, polarization mode dispersion and nonlinearities in the fiber. In this work, many PSK formats were analyzed in detail, including the variants of differential phase modulation (Differential Phase Shift Keying, DPSK), in quadrature (Differential Quadrature Phase Shift Keying, DQPSK) and polarization multiplexing (Polarization Multiplexing Differential Quadrature Phase Shift Keying, PM-DQPSK), in order to design and optimize receivers enabling demodulations. Therefore, novel structures, which offer good receiver performances and a reduction in cost compared to the current structures, have been analyzed and developed. Two novel receivers based on an all-fiber in-line Mach-Zehnder interferometer (MZI) were proposed for DPSK signal demodulation in this thesis. The operating principle of the all-fiber MZI is based on the modal interference that occurs in a multimode fiber (MMF) when it is located between two single-mode fibers (SMFs). This type of configuration (Single-mode-multimode-single-mode, SMS) can provide a good extinction ratio if the incoming power from the SMF could be coupled equally into two dominant modes excited in the MMF. In order to improve the interference extinction ratio, two novel SMS structures have been studied and demonstrated, theoretically and experimentally. One of the two proposed MZIs is based on a graded-index multimode fiber (MMF) with a central dip in the index profile, located between two single-mode fibers (SMFs). The other one is based on a conventional graded-index MMF mismatch spliced between two SMFs. Theoretical analysis has shown that, in these two schemes, 80 ��� 90% of the incoming power can be coupled into the two dominant modes exited in the MMF, and the power difference between them is only ~10%. Experimental results show that interference extinction ratio of 12 dB could be obtained. In order to demonstrate the capacity of these two structures for use as DPSK signal demodulators, numerical simulations in a completed optical transmission system have been carried out, and the receiver quality has been analyzed under different perspectives, such as sensitivity, tolerance to severe optical filtering or tolerance to chromatic and polarization mode dispersion. In all cases, from the simulation results we can conclude that the two proposed receivers can provide performances comparable to conventional ones. In this thesis, an alternative design for the implementation of a DQPSK receiver, which is based on a polarization maintaining fiber (PMF), was also presented. To complement the work made for the PMF-based DQPSK receiver, the study of the demodulation principle has been extended to demodulate PM-DQPSK signals, resulting in the proposal of a novel demodulation structure. The proposed PM-DQPSK receiver is based on only one delay line and a polarization rotator. The quality of the proposed DQPSK and PM-DQPSK receivers under different perspectives, such as sensitivity, tolerance to severe optical filtering, tolerance to chromatic dispersion and polarization mode dispersion, or behavior under non-ideal conditions. Compared with the conventional receivers, our proposals exhibit similar performances but allow a simpler design which can potentially reduce the cost. The wavelength division multiplexing (WDM) technology used in current optical communications networks requires the use of optical filters with a passband as narrow as possible, and the use of a series of devices that incorporate filters in their architecture, such as multiplexers, demultiplexers, switches, reconfigurable add-drop multiplexers (ROADMs) and optical cross-connects (OXCs). All these devices connected together are equivalent to a chain of filters whose bandwidth becomes increasingly narrow, resulting in distortion to the waveform of the signals. Therefore, in addition to analyzing the impact of optical filtering on signal of 40 Gbps DQPSK and 100 Gbps PM-DQPSK, we study which kind of optical filter minimizes the signal degradation and analyze the maximum number of concatenated filters for maintaining the required quality of the system. Four types of optical filters, including Butterworth, Bessel, FBG and FP, have studied and simulated.