Expanding the horizontal capabilities of CRT monitors using artificial inter-pixel steps for neuroscience experiments

This article describes the development of a visual stimulus generator to be used in neuroscience experiments with invertebrates such as flies. The experiment consists in the visualization of a fixed image that is displaced horizontally according to the stimulus data. The system is capable of displaying 640 x 480 pixels with 256 intensity levels at 200 frames per second (FPS) on conventional raster monitors. To double the possible horizontal positioning possibilities from 640 to 1280, a novel technique is presented introducing artificial inter-pixel steps. The implementation consists in using two video frame buffers containing each a distinct view of the desired image pattern. This implementation generates a visual effect capable of doubling the horizontal positioning capabilities of the visual stimulus generator allowing more precise and movements more contiguous. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Tecniche di ottimizzazione del software per sistemi su singolo chip per applicazioni di Nomadic Computing

I moderni sistemi embedded sono equipaggiati con risorse hardware che consentono l’esecuzione di applicazioni molto complesse come il decoding audio e video. La progettazione di simili sistemi deve soddisfare due esigenze opposte. Da un lato è necessario fornire un elevato potenziale computazionale, dall’altro bisogna rispettare dei vincoli stringenti riguardo il consumo di energia. Uno dei trend più diffusi per rispondere a queste esigenze opposte è quello di integrare su uno stesso chip un numero elevato di processori caratterizzati da un design semplificato e da bassi consumi. Tuttavia, per sfruttare effettivamente il potenziale computazionale offerto da una batteria di processoriè necessario rivisitare pesantemente le metodologie di sviluppo delle applicazioni. Con l’avvento dei sistemi multi-processore su singolo chip (MPSoC) il parallel programming si è diffuso largamente anche in ambito embedded. Tuttavia, i progressi nel campo della programmazione parallela non hanno mantenuto il passo con la capacità di integrare hardware parallelo su un singolo chip. Oltre all’introduzione di multipli processori, la necessità di ridurre i consumi degli MPSoC comporta altre soluzioni architetturali che hanno l’effetto diretto di complicare lo sviluppo delle applicazioni. Il design del sottosistema di memoria, in particolare, è un problema critico. Integrare sul chip dei banchi di memoria consente dei tempi d’accesso molto brevi e dei consumi molto contenuti. Sfortunatamente, la quantità di memoria on-chip che può essere integrata in un MPSoC è molto limitata. Per questo motivo è necessario aggiungere dei banchi di memoria off-chip, che hanno una capacità molto maggiore, come maggiori sono i consumi e i tempi d’accesso. La maggior parte degli MPSoC attualmente in commercio destina una parte del budget di area all’implementazione di memorie cache e/o scratchpad. Le scratchpad (SPM) sono spesso preferite alle cache nei sistemi MPSoC embedded, per motivi di maggiore predicibilità, minore occupazione d’area e – soprattutto – minori consumi. Per contro, mentre l’uso delle cache è completamente trasparente al programmatore, le SPM devono essere esplicitamente gestite dall’applicazione. Esporre l’organizzazione della gerarchia di memoria ll’applicazione consente di sfruttarne in maniera efficiente i vantaggi (ridotti tempi d’accesso e consumi). Per contro, per ottenere questi benefici è necessario scrivere le applicazioni in maniera tale che i dati vengano partizionati e allocati sulle varie memorie in maniera opportuna. L’onere di questo compito complesso ricade ovviamente sul programmatore. Questo scenario descrive bene l’esigenza di modelli di programmazione e strumenti di supporto che semplifichino lo sviluppo di applicazioni parallele. In questa tesi viene presentato un framework per lo sviluppo di software per MPSoC embedded basato su OpenMP. OpenMP è uno standard di fatto per la programmazione di multiprocessori con memoria shared, caratterizzato da un semplice approccio alla parallelizzazione tramite annotazioni (direttive per il compilatore). La sua interfaccia di programmazione consente di esprimere in maniera naturale e molto efficiente il parallelismo a livello di loop, molto diffuso tra le applicazioni embedded di tipo signal processing e multimedia. OpenMP costituisce un ottimo punto di partenza per la definizione di un modello di programmazione per MPSoC, soprattutto per la sua semplicità d’uso. D’altra parte, per sfruttare in maniera efficiente il potenziale computazionale di un MPSoC è necessario rivisitare profondamente l’implementazione del supporto OpenMP sia nel compilatore che nell’ambiente di supporto a runtime. Tutti i costrutti per gestire il parallelismo, la suddivisione del lavoro e la sincronizzazione inter-processore comportano un costo in termini di overhead che deve essere minimizzato per non comprometterre i vantaggi della parallelizzazione. Questo può essere ottenuto soltanto tramite una accurata analisi delle caratteristiche hardware e l’individuazione dei potenziali colli di bottiglia nell’architettura. Una implementazione del task management, della sincronizzazione a barriera e della condivisione dei dati che sfrutti efficientemente le risorse hardware consente di ottenere elevate performance e scalabilità. La condivisione dei dati, nel modello OpenMP, merita particolare attenzione. In un modello a memoria condivisa le strutture dati (array, matrici) accedute dal programma sono fisicamente allocate su una unica risorsa di memoria raggiungibile da tutti i processori. Al crescere del numero di processori in un sistema, l’accesso concorrente ad una singola risorsa di memoria costituisce un evidente collo di bottiglia. Per alleviare la pressione sulle memorie e sul sistema di connessione vengono da noi studiate e proposte delle tecniche di partizionamento delle strutture dati. Queste tecniche richiedono che una singola entità di tipo array venga trattata nel programma come l’insieme di tanti sotto-array, ciascuno dei quali può essere fisicamente allocato su una risorsa di memoria differente. Dal punto di vista del programma, indirizzare un array partizionato richiede che ad ogni accesso vengano eseguite delle istruzioni per ri-calcolare l’indirizzo fisico di destinazione. Questo è chiaramente un compito lungo, complesso e soggetto ad errori. Per questo motivo, le nostre tecniche di partizionamento sono state integrate nella l’interfaccia di programmazione di OpenMP, che è stata significativamente estesa. Specificamente, delle nuove direttive e clausole consentono al programmatore di annotare i dati di tipo array che si vuole partizionare e allocare in maniera distribuita sulla gerarchia di memoria. Sono stati inoltre sviluppati degli strumenti di supporto che consentono di raccogliere informazioni di profiling sul pattern di accesso agli array. Queste informazioni vengono sfruttate dal nostro compilatore per allocare le partizioni sulle varie risorse di memoria rispettando una relazione di affinità tra il task e i dati. Più precisamente, i passi di allocazione nel nostro compilatore assegnano una determinata partizione alla memoria scratchpad locale al processore che ospita il task che effettua il numero maggiore di accessi alla stessa.

Progetto di un circuito di elaborazione dati per l'analisi reologica di singoli oggetti in tempo reale

Questo elaborato propone lo studio di un sistema ed il conseguente sviluppo di un’architettura elettronica versatile, capace di effettuare analisi reologiche in tempo reale su singoli oggetti di varia natura, sfruttando diversi metodi e tecnologie elettroniche a disposizione. Un caso particolare su cui ci si è soffermati per sviluppare il sistema riguarda l’implementazione di tecniche innovative di produzione e selezione dei prodotti agricoli. L'elaborato presenta dunque un sistema elettronico capace di effettuare l’analisi reologica con tecniche acustiche di singoli oggetti. Il sistema è stato progettato e costruito per essere versatile ed adattabile a diverse tipologie di applicazioni, mantenendo costi ridotti per renderlo adatto ad eventuali applicazioni industriali.

A novel specific genetic translocation in epithelioid hemangioendotelioma, showing a fusion of the WWTR1 and CAMTA1 genes, supports the monoclonality of multifocal epithelioid hemangioendotelioma.

Like other vascular tumors, epithelioid hemangioendothelioma (EHE) is multifocal in approximately 50% of cases, and it is unclear whether the separate lesions represent multifocal disease or metastases. We hypothesized that the identification of an identical WWTR1-CAMTA1 rearrangement in different EHEs from the same patient supports the monoclonal origin of EHE. To test our hypothesis, we undertook a molecular analysis of two multicentric EHEs of the liver, including separate tumor samples from each patient. Matherial and Methods: We retrieved two cases of EHE with available tissue for molecular analysis. In both cases, fluorescence in situ hybridization (FISH) was performed to identify the presence of the WWTR1-CAMTA1 rearrangement to confirm the histologic diagnosis of EHE, as previously described. The reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) products were analyzed by electrophoresis and the RT-PCR–amplified products were sequenced using the Sanger method. Results: FISH analysis revealed signal abnormalities in both WWTR1 and CAMTA1. Combined results confirmed the presence of the t(1;3)(1p36.23;3q25.1) translocation in both cases of EHE. Using RT-PCR analysis, we found that the size of the rearranged bands was identical in the different tumors from each patient. The sequence of the fusion gene confirmed a different WWTR1-CAMTA1 rearrangement in each patient, but an identical WWTR1-CAMTA1 rearrangement in the different lesions from each patient. Discussion: Because of its generally indolent clinical course, EHE is commonly classified as a multifocal, rather than metastatic, disease. In this study, we examined two cases of multifocal liver EHE and found an identical WWTR1-CAMTA1 rearrangement in each lesion from the same patient, but not between the two patients. These findings suggest that multifocal EHE arises from metastasis of the same neoplastic clone rather than from the simultaneous formation of multiple neoplastic clones, which supports the monoclonal origin of multifocal EHE.

Multi Processor Systems On Chip with Configurable Hardware Acceleration

The evolution of the electronics embedded applications forces electronics systems designers to match their ever increasing requirements. This evolution pushes the computational power of digital signal processing systems, as well as the energy required to accomplish the computations, due to the increasing mobility of such applications. Current approaches used to match these requirements relies on the adoption of application specific signal processors. Such kind of devices exploits powerful accelerators, which are able to match both performance and energy requirements. On the other hand, the too high specificity of such accelerators often results in a lack of flexibility which affects non-recurrent engineering costs, time to market, and market volumes too. The state of the art mainly proposes two solutions to overcome these issues with the ambition of delivering reasonable performance and energy efficiency: reconfigurable computing and multi-processors computing. All of these solutions benefits from the post-fabrication programmability, that definitively results in an increased flexibility. Nevertheless, the gap between these approaches and dedicated hardware is still too high for many application domains, especially when targeting the mobile world. In this scenario, flexible and energy efficient acceleration can be achieved by merging these two computational paradigms, in order to address all the above introduced constraints. This thesis focuses on the exploration of the design and application spectrum of reconfigurable computing, exploited as application specific accelerators for multi-processors systems on chip. More specifically, it introduces a reconfigurable digital signal processor featuring a heterogeneous set of reconfigurable engines, and a homogeneous multi-core system, exploiting three different flavours of reconfigurable and mask-programmable technologies as implementation platform for applications specific accelerators. In this work, the various trade-offs concerning the utilization multi-core platforms and the different configuration technologies are explored, characterizing the design space of the proposed approach in terms of programmability, performance, energy efficiency and manufacturing costs.

Aufbau und Betrieb einer schnellen Kalorimeterelektronik für ein Experiment zur Messung der Paritätsverletzung in der elastischen Elektronenstreuung

Die A4-Kollaboration am Mainzer Mikrotron MAMI erforscht die Struktur des Protons mit Hilfe der elastischen Streuung polarisierter Elektronen an unpolarisiertem Wasserstoff. Bei longitudinaler Polarisation wird die paritätsverletzende Asymmetrie im Wirkungsquerschnitt gemessen, die Aufschluss über den Strangeness-Beitrag zu den Vektor-Formfaktoren des Protons gibt. Insbesondere wurde eine Messung für Rückwärtsstreuwinkel bei einer Elektronenstrahlenergie von 319 MeV durchgeführt, die zusammen mit einem unter Vorwärtsstreuung bei gleichem Impulsübertrag bestimmten Wert die Separation der magnetischen und elektrischen Strangeness-Formfaktoren erlaubt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Elektroniksystem zur Energiemessung und Histogrammierung der auftretenden Einzelereignisse aufgebaut, das eine vernetzte Struktur aus 1022 Einzelkanälen besitzt und zur Verarbeitung einer Gesamtereignisrate von 100 MHz ausgelegt wurde. Für den experimentellen Betrieb wurden für alle Kanäle erforderliche Qualitäts-prüfungen und Eichmessungen vorgenommen. Die volle Funktionsfähigkeit des Systems zur Durchführung eines Zählratenexperiments für die paritätsverletzende Asymmetrie im Bereich von 10^{-6} wurde demonstriert. Um den bei rückwärtigen Streuwinkeln dominierenden inelastischen Untergrund an Photonen in den Spektren zu reduzieren, wurde das System außerdem um ein Taggersystem für Elektronen erweitert. Das Ergebnis einer vorläufigen Analyse für die paritätsverletzende Asymmetrie im Streuquerschnitt von longitudinal polarisierten Elektronen an unpolarisierten Protonen unter Rückwärtsstreuung bei einem Viererimpulsübertrag Q^2 = 0.23 GeV^2/c^2 beträgt A{PV}=(-16.37 +- 0.93 {stat} +- 0.69 {syst}) ppm. Für die Differenz der gemessenen Asymmetrie A{PV} und der theoretischen Vorhersage ohne Strangeness A{0}=(-16.27 +- 1.22) ppm ergibt sich A{S}= A{PV} - A{0} = (-0.10+-1.68) ppm. Mit dem bereits vorliegenden Wert der Vorwärtsstreuung von A{PV} = (-5.59+- 0.57 {stat} +- 0.29 {syst}) ppm kann ein Wert für den magnetischen bzw. elektrischen Formfaktor von G{M}^s = -0.01+- 0.15 bzw. G{E}^s = 0.034 +- 0.050 ermittelt werden.

Advanced Beamforming for Distributed and Multi-Beam Networks

Beamforming entails joint processing of multiple signals received or transmitted by an array of antennas. This thesis addresses the implementation of beamforming in two distinct systems, namely a distributed network of independent sensors, and a broad-band multi-beam satellite network. With the rising popularity of wireless sensors, scientists are taking advantage of the flexibility of these devices, which come with very low implementation costs. Simplicity, however, is intertwined with scarce power resources, which must be carefully rationed to ensure successful measurement campaigns throughout the whole duration of the application. In this scenario, distributed beamforming is a cooperative communication technique, which allows nodes in the network to emulate a virtual antenna array seeking power gains in the order of the size of the network itself, when required to deliver a common message signal to the receiver. To achieve a desired beamforming configuration, however, all nodes in the network must agree upon the same phase reference, which is challenging in a distributed set-up where all devices are independent. The first part of this thesis presents new algorithms for phase alignment, which prove to be more energy efficient than existing solutions. With the ever-growing demand for broad-band connectivity, satellite systems have the great potential to guarantee service where terrestrial systems can not penetrate. In order to satisfy the constantly increasing demand for throughput, satellites are equipped with multi-fed reflector antennas to resolve spatially separated signals. However, incrementing the number of feeds on the payload corresponds to burdening the link between the satellite and the gateway with an extensive amount of signaling, and to possibly calling for much more expensive multiple-gateway infrastructures. This thesis focuses on an on-board non-adaptive signal processing scheme denoted as Coarse Beamforming, whose objective is to reduce the communication load on the link between the ground station and space segment.

Antipodal random sequences with prescribed second-order statistics: application to Compressive Sensing and UWB system based on DS-CDMA

It is usual to hear a strange short sentence: «Random is better than...». Why is randomness a good solution to a certain engineering problem? There are many possible answers, and all of them are related to the considered topic. In this thesis I will discuss about two crucial topics that take advantage by randomizing some waveforms involved in signals manipulations. In particular, advantages are guaranteed by shaping the second order statistic of antipodal sequences involved in an intermediate signal processing stages. The first topic is in the area of analog-to-digital conversion, and it is named Compressive Sensing (CS). CS is a novel paradigm in signal processing that tries to merge signal acquisition and compression at the same time. Consequently it allows to direct acquire a signal in a compressed form. In this thesis, after an ample description of the CS methodology and its related architectures, I will present a new approach that tries to achieve high compression by design the second order statistics of a set of additional waveforms involved in the signal acquisition/compression stage. The second topic addressed in this thesis is in the area of communication system, in particular I focused the attention on ultra-wideband (UWB) systems. An option to produce and decode UWB signals is direct-sequence spreading with multiple access based on code division (DS-CDMA). Focusing on this methodology, I will address the coexistence of a DS-CDMA system with a narrowband interferer. To do so, I minimize the joint effect of both multiple access (MAI) and narrowband (NBI) interference on a simple matched filter receiver. I will show that, when spreading sequence statistical properties are suitably designed, performance improvements are possible with respect to a system exploiting chaos-based sequences minimizing MAI only.

Sviluppo di un'applicazione smartphone per l'elaborazione e la selezione step-based di brani musicali.

Tesi che narra come sia stata sviluppata un'applicazione per smartphone iOs il cui compito è di selezionare i brani musicali in base al ritmo della corsa. In essa vengono, inoltre, approfonditi gli algoritmi utilizzati per il funzionamento di quest'ultima, attraverso operazioni di signal processing.

Implementazione di un modulatore sigma-delta digitale per la sintesi di segnali pwm ad alta fedelta.

La modulazione a durata d'impulso (PWM) è utilizzata soprattutto perchè permette di ottenere alta efficenza energetica. In ambito accademico è stato proposto un modulatore PWM che sfrutta la tecnica di noise shaping, Sigma Delta, per avere elevata fedeltà. Il lavoro di questa tesi è stato l'implementazione su FPGA del modulatore Sigma DeltaDigitale utilizzato: quarto ordine, con quantizzatore a 4 bit e SNR in banda di 60 dB. Il dimensionamento è stato fatto determinando l'effetto che la lunghezza delle parole dei segnali ha sul rumore prodotto dal sistema. Questo studio è stato svolto con analisi euristiche ed algoritmi di ricerca implementati in ambiente MATLAB. Lo studio fatto è di carattere generale ed estendibile a generiche architetture Sigma Delta.

Tailoring molecular weight of the conjugated model polymer MEH-PPV and its structure-property relations

In der vorliegenden Arbeit wurden Struktur-Eigenschaftsbeziehungen des konjugierten Modell-Polymers MEH-PPV untersucht. Dazu wurde Fällungs-fraktionierung eingesetzt, um MEH-PPV mit unterschiedlichem Molekulargewicht (Mw) zu erhalten, insbesondere MEH-PPV mit niedrigem Mw, da dieses für optische Wellenleiterbauelemente optimal geeignet ist Wir konnten feststellen, dass die Präparation einer ausreichenden Menge von MEH-PPV mit niedrigem Mw und geringer Mw-Verteilung wesentlich von der geeigneten Wahl des Lösungsmittels und der Temperatur während der Zugabe des Fällungsmittels abhängt. Alternativ dazu wurden UV-induzierte Kettenspaltungseffekte untersucht. Wir folgern aus dem Vergleich beider Vorgehensweisen, dass die Fällungsfraktionierung verglichen mit der UV-Behandlung besser geeignet ist zur Herstellung von MEH-PPV mit spezifischem Mw, da das UV-Licht Kettendefekte längs des Polymerrückgrats erzeugt. 1H NMR and FTIR Spektroskopie wurden zur Untersuchung dieser Kettendefekte herangezogen. Wir konnten außerdem beobachten, dass die Wellenlängen der Absorptionsmaxima der MEH-PPV Fraktionen mit der Kettenlänge zunehmen bis die Zahl der Wiederholeinheiten n  110 erreicht ist. Dieser Wert ist signifikant größer als früher berichtet. rnOptische Eigenschaften von MEH-PPV Wellenleitern wurden untersucht und es konnte gezeigt werden, dass sich die optischen Konstanten ausgezeichnet reproduzieren lassen. Wir haben die Einflüsse der Lösungsmittel und Temperatur beim Spincoaten auf Schichtdicke, Oberflächenrauigkeit, Brechungsindex, Doppelbrechung und Wellenleiter-Dämpfungsverlust untersucht. Wir fanden, dass mit der Erhöhung der Siedetemperatur der Lösungsmittel die Schichtdicke und die Rauigkeit kleiner werden, während Brechungsindex, Doppelbrechung sowie Wellenleiter-Dämpfungsverluste zunahmen. Wir schließen daraus, dass hohe Siedetemperaturen der Lösungsmittel niedrige Verdampfungsraten erzeugen, was die Aggregatbildung während des Spincoatings begünstigt. Hingegen bewirkt eine erhöhte Temperatur während der Schichtpräparation eine Erhöhung von Schichtdicke und Rauhigkeit. Jedoch nehmen Brechungsindex und der Doppelbrechung dabei ab.rn Für die Schichtpräparation auf Glassubstraten und Quarzglas-Fasern kam das Dip-Coating Verfahren zum Einsatz. Die Schichtdicke der Filme hängt ab von Konzentration der Lösung, Transfergeschwindigkeit und Immersionszeit. Mit Tauchbeschichtung haben wir Schichten von MEH-PPV auf Flaschen-Mikroresonatoren aufgebracht zur Untersuchung von rein-optischen Schaltprozessen. Dieses Verfahren erweist sich insbesondere für MEH-PPV mit niedrigem Mw als vielversprechend für die rein-optische Signalverarbeitung mit großer Bandbreite.rn Zusätzlich wurde auch die Morphologie dünner Schichten aus anderen PPV-Derivaten mit Hilfe von FTIR Spektroskopie untersucht. Wir konnten herausfinden, dass der Alkyl-Substitutionsgrad einen starken Einfluss auf die mittlere Orientierung der Polymerrückgrate in dünnen Filmen hat.rn