Switching mode power amplifier for bluetooth applications

Modern fully integrated transceivers architectures, require circuits with low area, low cost, low power, and high efficiency. A key block in modern transceivers is the power amplifier, which is deeply studied in this thesis. First, we study the implementation of a classical Class-A amplifier, describing the basic operation of an RF power amplifier, and analysing the influence of the real models of the reactive components in its operation. Secondly, the Class-E amplifier is deeply studied. The different types of implementations are reviewed and theoretical equations are derived and compared with simulations. There were selected four modes of operation for the Class-E amplifier, in order to perform the implementation of the output stage, and the subsequent comparison of results. This led to the selection of the mode with the best trade-off between efficiency and harmonics distortion, lower power consumption and higher output power. The optimal choice was a parallel circuit containing an inductor with a finite value. To complete the implementation of the PA in switching mode, a driver was implemented. The final block (output stage together with the driver) got 20 % total efficiency (PAE) transmitting 8 dBm output power to a 50 W load with a total harmonic distortion (THD) of 3 % and a total consumption of 28 mW. All implementations are designed using standard 130 nm CMOS technology. The operating frequency is 2.4 GHz and it was considered an 1.2 V DC power supply. The proposed circuit is intended to be used in a Bluetooth transmitter, however, it has a wider range of applications.

Estudo e sugestões de melhorias de eficiência energética numa empresa do sector industrial de carnes

Desta dissertação resultou uma análise ao consumo energético associado aos produtos mais comerci-alizados por uma Empresa, inserida no sector industrial de carnes, e de respectivas medidas de ges-tão de energia eléctrica e de implementação de tecnologia térmica para optimizara a eficiência ener-gética da instalação. A avaliação realizada nesta dissertação permitiu identificar os processos que mais energia consomem, nomeadamente todos os produtos que envolvem a fumagem. Com base nes-tes resultados a empresa pode identificar as prioridades em termos de redução e melhoria da eficiên-cia energética. O estudo de gestão da energia eléctrica permitiu concluir que é mais proveitoso man-ter em funcionamento os processos pontuais durante os períodos nocturnos ou durante o fim-de-semana, permitindo, no segundo caso, obter uma poupança de 16% nos custos associados de cada vez que se colocar a linha de produção de peito de peru fumado entre o período semanal para o perí-odo entre sexta-feira e domingo, visto ser a linha de produção estudada que mais energia eléctrica consome. Na análise de pré-aquecimento dos fluidos utilizados na empresa através de recuperadores de calor, concluiu-se que é mais benéfico pré-aquecer a água utilizada para o processo de fumagem, visto obter-se uma poupança económica de 6 € e 11,8 m3 de gás natural por aplicação, ou seja, de cada vez que é utilizada água pré-aquecida através deste procedimento, tendo-se obtido valores de poupança energética entre 24 e 60% para os vários fluidos estudados.

Sistema de suporte à decisão no sector eléctrico com Indicadores de desempenho: o caso português

Os consumidores exercem influência no comportamento do sector eléctrico pela variação da procura de electricidade à rede. A teoria económica e as estatísticas dos últimos anos sugerem que os consumidores reagem aos preços da electricidade, seja através dos usos que fazem da electricidade e na selecção de energias alternativas, seja pela tomada de decisão de investimento em eficiência energética e em autoconsumo. Indirectamente, a procura de electricidade à rede dos consumidores afecta o preço da venda da electricidade através das actualizações da tarifa para o ano seguinte. Apesar disso, raramente as políticas energéticas ou as previsões da procura são informadas com modelos de desempenho económico de procura dinâmica. Os objectivos da tese são desenvolver conceptualmente um modelo de simulação do sistema eléctrico considerando explicitamente a reacção e decisão dos consumidores face ao preço da electricidade; desenvolver informaticamente um Sistema de Suporte à Decisão (SSD) sobre o modelo de simulação e explorá-lo com o caso estudo do sistema eléctrico português. O modelo tem uma abordagem de simulação dinâmica. Conceptualmente, o modelo de simulação e o SSD são desenhados para permitir dois modos de aplicação: a) um modo interactivo, equivalente a um jogo entre os vários agentes (Estado como legislador/regulador; sector da produção, transporte e distribuição; e sector do consumo final com enfoque na indústria, famílias e serviços) ou b) um modo parametrizado assumindo comportamentos prédefinidos e tomadas de decisão de certos agentes para ensaiar opções de um utilizador. No âmbito da tese o modelo foi explorado apenas no modo parametrizado para ensaiar opções de políticas públicas no sector energético, em especial sistemas de incentivos, pré-definindo comportamentos dos agentes com tomada de decisão dos produtores e consumidores. Os cenários testados para o caso de estudo português sugerem que devem existir mais incentivos ao investimento em eficiência energética e menos subsidiação de preço de venda da electricidade: em todos os domínios, a redução do desperdício energético é melhor do que existirem preços artificialmente baixos. É este tipo de opções de política que melhor cumprem objectivos de uso racional de energia, protecção ambiental e redução de custos globais para os consumidores e para os contribuintes. A análise dos cenários sugere também que existe um potencial aliciante de poupança energética no sector do consumo final, que está longe de ser aproveitado. Verifica-se também que a tomada de decisão em autoconsumo reduz os investimentos em eficiência energética, obtendo-se menor redução do desperdício energético. O papel dos consumidores é importante. Um preço claro pode ajudar a consumir, a preservar e a investir.

Minimal computation structures for visual information applications based on printed electronics

In the early nineties, Mark Weiser wrote a series of seminal papers that introduced the concept of Ubiquitous Computing. According to Weiser, computers require too much attention from the user, drawing his focus from the tasks at hand. Instead of being the centre of attention, computers should be so natural that they would vanish into the human environment. Computers become not only truly pervasive but also effectively invisible and unobtrusive to the user. This requires not only for smaller, cheaper and low power consumption computers, but also for equally convenient display solutions that can be harmoniously integrated into our surroundings. With the advent of Printed Electronics, new ways to link the physical and the digital worlds became available. By combining common printing techniques such as inkjet printing with electro-optical functional inks, it is starting to be possible not only to mass-produce extremely thin, flexible and cost effective electronic circuits but also to introduce electronic functionalities into products where it was previously unavailable. Indeed, Printed Electronics is enabling the creation of novel sensing and display elements for interactive devices, free of form factor. At the same time, the rise in the availability and affordability of digital fabrication technologies, namely of 3D printers, to the average consumer is fostering a new industrial (digital) revolution and the democratisation of innovation. Nowadays, end-users are already able to custom design and manufacture on demand their own physical products, according to their own needs. In the future, they will be able to fabricate interactive digital devices with user-specific form and functionality from the comfort of their homes. This thesis explores how task-specific, low computation, interactive devices capable of presenting dynamic visual information can be created using Printed Electronics technologies, whilst following an approach based on the ideals behind Personal Fabrication. Focus is given on the use of printed electrochromic displays as a medium for delivering dynamic digital information. According to the architecture of the displays, several approaches are highlighted and categorised. Furthermore, a pictorial computation model based on extended cellular automata principles is used to programme dynamic simulation models into matrix-based electrochromic displays. Envisaged applications include the modelling of physical, chemical, biological, and environmental phenomena.

Study of AC losses in medium-sized high temperature superconducting coils

The study of AC losses in superconducting pancake coils is of utmost importance for the development of superconducting devices. Due to different technical difficulties this study is usually performed considering one of two approaches: considering superconducting coils of few turns and studying AC losses in a large frequency range vs. superconducting coils with a large number of turns but measuring AC losses only in low frequencies. In this work, a study of AC losses in 128 turn superconducting coils is performed, considering frequencies ranging from 50 Hz till 1152 Hz and currents ranging from zero till the critical current of the coils. Moreover, the study of AC losses considering two different simultaneous harmonic components is also performed and results are compared to the behaviour presented by the coils when operating in a single frequency regime. Different electrical methods are used to verify the total amount of AC losses in the coil and a simple calorimetric method is presented, in order to measure AC losses in a multi-harmonic context. Different analytical and numerical methods are implemented and/or used, to design the superconducting coils and to compute the total amount of AC losses in the superconducting system and a comparison is performed to verify the advantages and drawbacks of each method.

Reconfigurable photonic logic architecture

The amorphous silicon photo-sensor studied in this thesis, is a double pin structure (p(a-SiC:H)-i’(a-SiC:H)-n(a-SiC:H)-p(a-SiC:H)-i(a-Si:H)-n(a-Si:H)) sandwiched between two transparent contacts deposited over transparent glass thus with the possibility of illumination on both sides, responding to wave-lengths from the ultra-violet, visible to the near infrared range. The frontal il-lumination surface, glass side, is used for light signal inputs. Both surfaces are used for optical bias, which changes the dynamic characteristics of the photo-sensor resulting in different outputs for the same input. Experimental studies were made with the photo-sensor to evaluate its applicability in multiplexing and demultiplexing several data communication channels. The digital light sig-nal was defined to implement simple logical operations like the NOT, AND, OR, and complex like the XOR, MAJ, full-adder and memory effect. A pro-grammable pattern emission system was built and also those for the validation and recovery of the obtained signals. This photo-sensor has applications in op-tical communications with several wavelengths, as a wavelength detector and to execute directly logical operations over digital light input signals.

Control in distribution networks with demand side management

The way in which electricity networks operate is going through a period of significant change. Renewable generation technologies are having a growing presence and increasing penetrations of generation that are being connected at distribution level. Unfortunately, a renewable energy source is most of the time intermittent and needs to be forecasted. Current trends in Smart grids foresee the accommodation of a variety of distributed generation sources including intermittent renewable sources. It is also expected that smart grids will include demand management resources, widespread communications and control technologies required to use demand response are needed to help the maintenance in supply-demand balance in electricity systems. Consequently, smart household appliances with controllable loads will be likely a common presence in our homes. Thus, new control techniques are requested to manage the loads and achieve all the potential energy present in intermittent energy sources. This thesis is focused on the development of a demand side management control method in a distributed network, aiming the creation of greater flexibility in demand and better ease the integration of renewable technologies. In particular, this work presents a novel multi-agent model-based predictive control method to manage distributed energy systems from the demand side, in presence of limited energy sources with fluctuating output and with energy storage in house-hold or car batteries. Specifically, here is presented a solution for thermal comfort which manages a limited shared energy resource via a demand side management perspective, using an integrated approach which also involves a power price auction and an appliance loads allocation scheme. The control is applied individually to a set of Thermal Control Areas, demand units, where the objective is to minimize the energy usage and not exceed the limited and shared energy resource, while simultaneously indoor temperatures are maintained within a comfort frame. Thermal Control Areas are overall thermodynamically connected in the distributed environment and also coupled by energy related constraints. The energy split is performed based on a fixed sequential order established from a previous completed auction wherein the bids are made by each Thermal Control Area, acting as demand side management agents, based on the daily energy price. The developed solutions are explained with algorithms and are applied to different scenarios, being the results explanatory of the benefits of the proposed approaches.

Analysis and design of sinusoidal quadrature RC-oscillators

Modern telecommunication equipment requires components that operate in many different frequency bands and support multiple communication standards, to cope with the growing demand for higher data rate. Also, a growing number of standards are adopting the use of spectrum efficient digital modulations, such as quadrature amplitude modulation (QAM) and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). These modulation schemes require accurate quadrature oscillators, which makes the quadrature oscillator a key block in modern radio frequency (RF) transceivers. The wide tuning range characteristics of inductorless quadrature oscillators make them natural candidates, despite their higher phase noise, in comparison with LC-oscillators. This thesis presents a detailed study of inductorless sinusoidal quadrature oscillators. Three quadrature oscillators are investigated: the active coupling RC-oscillator, the novel capacitive coupling RCoscillator, and the two-integrator oscillator. The thesis includes a detailed analysis of the Van der Pol oscillator (VDPO). This is used as a base model oscillator for the analysis of the coupled oscillators. Hence, the three oscillators are approximated by the VDPO. From the nonlinear Van der Pol equations, the oscillators’ key parameters are obtained. It is analysed first the case without component mismatches and then the case with mismatches. The research is focused on determining the impact of the components’ mismatches on the oscillator key parameters: frequency, amplitude-, and quadrature-errors. Furthermore, the minimization of the errors by adjusting the circuit parameters is addressed. A novel quadrature RC-oscillator using capacitive coupling is proposed. The advantages of using the capacitive coupling are that it is noiseless, requires a small area, and has low power dissipation. The equations of the oscillation amplitude, frequency, quadrature-error, and amplitude mismatch are derived. The theoretical results are confirmed by simulation and by measurement of two prototypes fabricated in 130 nm standard complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. The measurements reveal that the power increase due to the coupling is marginal, leading to a figure-of-merit of -154.8 dBc/Hz. These results are consistent with the noiseless feature of this coupling and are comparable to those of the best state-of-the-art RC-oscillators, in the GHz range, but with the lowest power consumption (about 9 mW). The results for the three oscillators show that the amplitude- and the quadrature-errors are proportional to the component mismatches and inversely proportional to the coupling strength. Thus, increasing the coupling strength decreases both the amplitude- and quadrature-errors. With proper coupling strength, a quadrature error below 1° and amplitude imbalance below 1% are obtained. Furthermore, the simulations show that increasing the coupling strength reduces the phase noise. Hence, there is no trade-off between phase noise and quadrature error. In the twointegrator oscillator study, it was found that the quadrature error can be eliminated by adjusting the transconductances to compensate the capacitance mismatch. However, to obtain outputs in perfect quadrature one must allow some amplitude error.

Medium access control design for distributed opportunistic radio networks

Existing wireless networks are characterized by a fixed spectrum assignment policy. However, the scarcity of available spectrum and its inefficient usage demands for a new communication paradigm to exploit the existing spectrum opportunistically. Future Cognitive Radio (CR) devices should be able to sense unoccupied spectrum and will allow the deployment of real opportunistic networks. Still, traditional Physical (PHY) and Medium Access Control (MAC) protocols are not suitable for this new type of networks because they are optimized to operate over fixed assigned frequency bands. Therefore, novel PHY-MAC cross-layer protocols should be developed to cope with the specific features of opportunistic networks. This thesis is mainly focused on the design and evaluation of MAC protocols for Decentralized Cognitive Radio Networks (DCRNs). It starts with a characterization of the spectrum sensing framework based on the Energy-Based Sensing (EBS) technique considering multiple scenarios. Then, guided by the sensing results obtained by the aforementioned technique, we present two novel decentralized CR MAC schemes: the first one designed to operate in single-channel scenarios and the second one to be used in multichannel scenarios. Analytical models for the network goodput, packet service time and individual transmission probability are derived and used to compute the performance of both protocols. Simulation results assess the accuracy of the analytical models as well as the benefits of the proposed CR MAC schemes.

Otimização multiobjectivo para o aumento da fiabilidade em redes de distribuição radiais com incorporação de geração distribuída e sistemas de armazenamento

O planeamento das redes de distribuição de energia elétrica é considerado de extrema importância para o desenvolvimento de infraestruturas de elevada fiabilidade. A este nível, as empresas elétricas estão a ser confrontadas com objetivos contraditórios de clientes que requerem maior qualidade de serviço e dos que querem preços de energia mais baixos. Para competir neste contexto, é importante que as empresas elétricas estabeleçam um balanço entre os custos de investimento em equipamentos para aumentar a fiabilidade e o nível de fiabilidade alcançado com esse investimento. Este trabalho propõe resolver este problema de planeamento considerando a sua natureza multiobjectivo. Assim, foram desenvolvidos modelos matemáticos para a integração das diversas variáveis minimizadas associadas à fiabilidade, deste problema de otimização multiobjectivo. Nas últimas décadas, a crescente penetração da geração distribuída (GD) tem representado uma série de desafios técnicos para as redes de distribuição que foram concebidas de uma forma tradicional. Assim, propuseram-se modelos para a integração da GD no problema da fiabilidade deste tipo de redes. Neste contexto, também foi proposta uma abordagem para a análise da fiabilidade sob o ponto de vista da redução de gases de efeito de estufa. Neste momento, o problema da fiabilidade começa também a ser abordado quanto às interrupções momentâneas. Assim, considerou-se adicionalmente uma abordagem em que se consideram os sistemas de armazenamento de energia. Para a otimização das várias abordagens desenvolveram-se algoritmos de otimização do tipo evolutivo. Para testar as abordagens e modelos propostos, obtiveram-se resultados a partir de testes realizados sobre uma rede de distribuição real.

Uma abordagem SDN para o controlo e admissão de tráfego

Nos últimos anos tem-se verificado uma modificação nos hábitos de consumo da Internet. As suas aplicações necessitam de certas garantias que são cada vez mais exigentes e, para as acompanhar, métodos cada vez mais avançados de classificação de tráfego são utilizados de modo a lhes atribuir os seus requisitos. Este comportamento provoca no entanto um aumento da complexidade da rede, criando problemas na sua gestão e no processamento de toda a informação. Com o aumento de tráfego, a situação tende a ser cada vez pior. A solução apresentada nesta dissertação passa pela construção de duas lógicas de processamento de controladores Software-Defined Networking (SDN), que atribuem garantias às aplicações utilizando métodos de classificação de tráfego simplistas, utilizando uma metodologia first-come, first-served (FCFS), diminuindo o processamento requerido em relação a outras técnicas. Independentemente do tipo de tráfego, caso a rede consiga assegurar garantias, estas serão atribuídas. Existe um comportamento diferenciado na zona central da rede e na zona de ingresso, de modo a criar uma rede mais escalável, em que a zona de ingresso, lidando com um menor número flows, prepara-os para serem enviados para a zona central bastando a estes apenas encaminhar o tráfego para o seu destino, retirando carga desta zona onde a quantidade de flows é superior. Obtém-se assim uma rede que garante qualidade de serviço a determinados flows, evitando a utilização de técnicas pesadas ao nível de classificação, tornando-a mais escalável.

Gestão eficiente da energia eléctrica no edifício da Biblioteca da FCT e negociação de um novo contrato em mercado liberalizado

Nos últimos anos, a energia eléctrica tem vindo a conquistar, um lugar cada vez mais importante na sociedade, sendo nos nossos dias um bem essencial para o funcionamento normal das residências, empresas, indústrias e cidades. O problema que a presente dissertação analisa é transversal a inúmeros edifícios, que consomem diariamente uma grande quantidade de energia eléctrica, na ordem dos 900 kWh diários, ou mesmo superior. Desta forma, considera-se o consumo de eletricidade, e potenciais ineficiências no seu uso, num edifício universitário, nomeadamente a biblioteca da Faculdade de Ciências e Tecnologia (FCT) da Universidade Nova de Lisboa (UNL). Em termos mais específicos, pretende-se definir um consumo de energia mais eficiente, deslocando consumos de uns períodos horários para outros, onde as tarifas sejam mais económicas, aplicando medidas de participação ativa dos consumidores (PAC). Além disso, pretende-se simular a negociação de um novo contrato bilateral, entre um retalhista e um agente “gestor” da biblioteca da FCT, para obter um contrato melhorado, do ponto de vista do consumidor. Os principais objetivos desta dissertação são, deste modo, os seguintes: (i) estudar a contratação bilateral de energia em mercados liberalizados, com principal ênfase para a implementação de estratégias de negociação que possibilitem uma participação ativa dos consumidores, (ii) estudar a biblioteca da FCT e propor medidas de eficiência energética, e (iii) simular a negociação de um novo contrato bilateral, recorrendo ao simulador multi-agente MAN-REM. De forma sucinta, os resultados obtidos, permitem concluir que o consumo energético da biblioteca da FCT pode ser melhorado, e com base nos volumes de energia deduzidos, é possível negociar um novo contrato, mais favorável à FCT.

Segurança no nível físico em sistemas multi-antena com diretividade na informação

Os sistemas de comunicação sem fios são sistemas de difusão por natureza. Devido a essa sua natureza, um dos problemas inerentes à mesma deve-se à segurança e ao secretismo, pois se o canal é partilhado a informação facilmente é obtida por um utilizador não autorizado, ao contrário dos sistemas de comunicação com fios. Tradicionalmente, a introdução de segurança em sistemas de comunicação, resulta na encriptação da informação, resultante de protocolos de encriptação. No entanto, a segurança através da criptografia baseia-se na premissa de que o utilizador não autorizado tem uma capacidade de processamento limitada, pois senão poderia simplesmente tentar todas as combinações possíveis e obter a chave de encriptação. Como a capacidade de processamento tem crescido exponencialmente, este tipo de sistemas tem se tornado cada vez mais complexos para não se tornarem obsoletos. A introdução de segurança na camada física torna-se então uma opção apelativa pois pode servir como um complemento, visto que os sistemas de criptografia funcionam em camadas superiores independentes da camada fisica, apresentando assim uma abordagem multi-camada em termos de segurança. Tipicamente as técnicas de segurança no nível físico podem se agrupar em 2 tipos: técnicas que se baseiam em códigos, ou técnicas que exploram variações temporais e espaciais do canal. As primeiras diminuem a eficiência espectral do sistema, e as segundas apresentam bons resultados em ambientes dinâmicos, mas em ambientes estáticos não são muito promissores. Há também a necessidade de aumentar as taxas de transmissão nos próximos sistemas de comunicação. Devido a estes requisitos, uma das tecnologias propostas para a nova geração de comunicações, é uma tecnologia baseada numa arquitectura Multiple-Input-Multiple-Output(MIMO). Esta tecnologia é promissora e consegue atingir taxas de transferências que correspondem aos requisitos propostos. Apresenta-se assim uma nova técnica de segurança no nível físico, que explora as caracteristicas físicas do sistema, como um complemento a outras medidas de segurança em camadas mais altas. Esta técnica não provoca diminuição da eficiência espectral e é independente do canal, o que tenta solucionar os problemas das restantes técnicas já existentes.

Ferramenta de simulação para robô industrial

Actualmente, os meios de produção industrial estão em constante desenvolvimento, de forma a corresponderem a um mercado cada vez mais globalizado, caracterizado por uma forte competição, uma pressão na redução de custos, e a existência de produtos e serviços personalizados. Entretanto, ao nível de equipamento de robótica, também se tem notado esta pressão por parte do mercado, exigindo-se equipamento com uma complexidade crescente, tanto ao nível da sua morfologia, do seu controlo e da sua utilização. Ao nível da sua utilização, tornou-se então necessário adoptar abordagens que permitam um maior controlo quanto a falhas de manuseamento e respectiva modelação destes robôs. Uma destas abordagens é a simulação. A simulação é uma das áreas com maior crescimento a nível tecnológico, sendo utilizada em várias áreas de tecnologia e informação devido à sua capacidade de adaptação, tornando-se numa área bastante dinâmica e flexível. Dentro dum contexto de robôs industriais, as aplicações mais típicas consistem na programação “offline” de robôs e na aprendizagem de robótica, tendo como objectivo estudar e analisar os comportamentos de determinados sistemas, com o intuito de reduzir a necessidade de intervenção humana em tarefas repetitivas, perigosas e dispendiosas. Além disso, a simulação está também presente na computação informática nas salas de aulas, por forma a auxiliar o professor. Foi então idealizado um sistema de simulação capaz de imitar um robô industrial em que os alunos terão que conseguir controlar, para que os vários testes sejam primeiramente implementados no simulador, diminuindo assim, o risco de causar acidentes no seu congênere real durante a fase de testes. O sistema consiste numa interface em que possibilita ao utilizador fazer um controlo manual do robô simulado, assim como ser capaz de o controlar por comandos requisitados por uma aplicação exterior através de serviços WEB, permitindo assim, a simulação de vários testes no robô industrial em causa.

An agent based architecture to support monitoring in plug and produce manufacturing systems using knowledge extraction

In recent years a set of production paradigms were proposed in order to capacitate manufacturers to meet the new market requirements, such as the shift in demand for highly customized products resulting in a shorter product life cycle, rather than the traditional mass production standardized consumables. These new paradigms advocate solutions capable of facing these requirements, empowering manufacturing systems with a high capacity to adapt along with elevated flexibility and robustness in order to deal with disturbances, like unexpected orders or malfunctions. Evolvable Production Systems propose a solution based on the usage of modularity and self-organization with a fine granularity level, supporting pluggability and in this way allowing companies to add and/or remove components during execution without any extra re-programming effort. However, current monitoring software was not designed to fully support these characteristics, being commonly based on centralized SCADA systems, incapable of re-adapting during execution to the unexpected plugging/unplugging of devices nor changes in the entire system’s topology. Considering these aspects, the work developed for this thesis encompasses a fully distributed agent-based architecture, capable of performing knowledge extraction at different levels of abstraction without sacrificing the capacity to add and/or remove monitoring entities, responsible for data extraction and analysis, during runtime.