Στην παρούσα διπλωματική εργασία εκπονείται μελέτη που αφορά την σχεδίαση αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων για βιοϊατρικές εφαρμογές. Δίνεται μεγαλύτερη βαρύτητα στην υλοποίηση διαγωγών χαμηλής τροφοδοσίας και ενισχυτών ρεύματος οδηγούμενων από το υπόστρωμα. Όπως σε όλα τα διαφορικά κυκλώματα, έτσι και στους διαφορικούς διαγωγούς κύριο μέλημα των σχεδιαστών είναι η γραμμικότητα τους και οι παράμετροι που την επηρεάζουν. Προτείνεται ένας διαγωγός χαμηλής τροφοδοσίας που βασίζεται στην βαθμίδα ακόλουθου τάσης με αναστροφή και προσομοιώνεται για να μελετηθεί το εύρος της γραμμικότητας του, η απόκριση συχνότητας και η συμπεριφορά του σε χρονικά μεταβαλλόμενο ημιτονοειδές σήμα. Ο ενισχυτής ρεύματος οδηγούμενος από το υπόστρωμα που παρουσιάζεται σε αυτήν την εργασία εκμεταλλεύεται όλους τους βαθμούς ελευθερίας ενός MOS τρανζίστορ πολωμένου στην ασθενή αναστροφή και στον κόρο. Η τεχνική οδήγησης από το υπόστρωμα χρησιμοποιείται ευρέως στην σχεδίαση κυκλωμάτων χαμηλής τροφοδοσίας, αφού έχει μειωμένες απαιτήσεις τάσης, ενώ είναι και ανεξάρτητη από περιορισμούς σχετικούς με την τάση κατωφλίου. Επιπρόσθετα, τα τρανζίστορ με οδήγηση από το υπόστρωμα διατηρούνται στην περιοχή κόρου για αρνητικές, μηδενικές και σχετικά μικρές θετικές τιμές της τάσης πόλωσης VBS. Έτσι, μπορούν να επεξεργάζονται σήματα εισόδου κοινού τρόπου (common-mode input range) μεγάλης τιμής και με μεγάλο εύρος κυμάτωσης κάτι που δεν θα μπορούσε να επιτευχθεί με συμβατικές κυκλωματικές τεχνικές σε τόσο χαμηλή τάση τροφοδοσίας. Όμως, τα τρανζίστορ με οδήγηση από το υπόστρωμα έχουν μικρή τιμή διαγωγιμότητας και είναι ευαίσθητα στον θόρυβο. Άλλο μειονέκτημα της τεχνικής με οδήγηση από το υπόστρωμα είναι ότι η πόλωση των τρανζίστορ εξαρτάται από την τεχνολογία ολοκλήρωσης. Το κέρδος του ενισχυτή ρεύματος οδηγούμενου από το υπόστρωμα μεταβάλλεται με εκθετικό τρόπο. Αυτή η ιδιότητα είναι σημαντική και χρησιμοποιείται ευρέως σε συστήματα αυτομάτου ελέγχου κέρδους όπου το σήμα εισόδου μεταβάλλεται αρκετές τάξεις μεγέθους. Σε ένα παρόμοιο σύστημα χρησιμοποιούμε και τα προαναφερθέντα κυκλώματα και εξετάζουμε την συνολική συμπεριφορά του. Οι προδιαγραφές αυτών των κυκλωμάτων επιτρέπουν την εφαρμογή τους στην βιοϊατρική, αφού εμφυτεύσιμα συστήματα, βίο-αισθητήρες και βοηθητικά ακοής επεξεργάζονται σήματα σχετικά χαμηλών συχνοτήτων με χαμηλή τάση τροφοδοσίας. / This diploma thesis forms a study on the design of analog circuits for biomedical applications. We focus on the realization of low voltage transconductors and Bulk-Driven current amplifiers. Like all the differential circuits, the designers’ main concern for a differential transconductor is its linearity and the parameters that affect it. We propose a low voltage transconductor based on Flipped Voltage Follower topology and we simulate it in order to study the range of the linearity, frequency response and its behavior in temporally varying sinusoidal signal. The Bulk-Driven current amplifier presented in this thesis takes advantage of all degrees of freedom of a MOS transistor biased in weak inversion and in saturation. The Bulk-Driven technique is widely used in the design of low voltage supply, because it has reduced demands on voltage and is independent of restrictions related to the threshold voltage. Moreover, Bulk-Driven transistors are maintained in saturation for negative, zero and even small positive values of the bias voltage VBS. Consequently, they can process large input common mode signals and signals with large swing voltage range, a property that could not be achieved with conventional circuit techniques at low power supply voltages. However, the transconductance of a Bulk –Driven transistor is smaller and is sensitive to noise. Another disadvantage of the Bulk-Driven technique is that the polarity of the transistor is process related. The gain of the Bulk-Driven current amplifier varies exponentially. This property is important and it is used widely in systems of automatic gain control where input signals can range several orders of magnitude. The specifications of these circuits allow their appliance in biomedicine, because implanted systems, biosensors and hearing aids process signals of relatively small frequencies with low voltage supply.

Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής αποτελεί η μελέτη και ανάλυση των μηχανισμών συγχρονισμού που εφαρμόζονται σε ψηφιακούς δορυφορικούς δέκτες διαγραμμάτων αστερισμού πολλαπλών δακτυλίων με σκοπό την ανάπτυξη νέων τεχνικών που παρουσιάζουν βελτιωμένη απόδοση καθώς και μεθόδων αξιολόγησης της απόδοσής τους. Οι σύγχρονες τάσεις στον τομέα των ψηφιακών επικοινωνιών και συγκεκριμένα στο πεδίο των τεχνικών διαμόρφωσης και διόρθωσης σφαλμάτων, καθώς και η εντεινόμενη ανάγκη για πιο αποδοτικές εφαρμογές και υπηρεσίες μέσω δορυφορικών ζεύξεων οδήγησαν στην ανάπτυξη νέων προτύπων δορυφορικών επικοινωνιών, όπως το DVB-S2, από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ΕΟΔ-ESA). Βάσει των προτύπων αυτών, απαιτούνται νέες προσεγγίσεις και τεχνικές στο σχεδιασμό δορυφορικών δεκτών. Παράλληλα, η προσέγγιση Software Defined Radio (SDR) αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη μεθοδολογία η οποία επιτρέπει την απαιτούμενη προσαρμοστικότητα και ευελιξία για την υποστήριξη πολλαπλών τύπων λειτουργίας και ρυθμών συμβόλων στους σύγχρονους δέκτες. Ο συγχρονισμός σε ένα δορυφορικό δέκτη (μονού φορέα) αποτελεί μια πολύπλοκη και απαιτητική διαδικασία που αφορά την εκτίμηση των παραμέτρων της μετάδοσης, οι οποίες και ανταποκρίνονται στον πραγματικό ρυθμό συμβόλων, στη συχνότητα και φάση του φορέα μετάδοσης καθώς και στη γνώση των ορίων των πλαισίων φυσικού επιπέδου. Οι μηχανισμοί συγχρονισμού αποτελούν σημαντικό, από άποψη κρισιμότητας και απαιτήσεων σε επεξεργαστική ισχύ, τμήμα των αποδιαμορφωτών, οι οποίοι σε περίπτωση λειτουργικής αποτυχίας οδηγούν στην απώλεια της αξιοπιστίας του δέκτη. Εξαιτίας της σπουδαιότητας των μηχανισμών αυτών, η αναζήτηση αποδοτικών και υλοποιήσιμων αλγορίθμων συγχρονισμού αποτελεί σημαντική παράμετρο στον σχεδιασμό συστημάτων δεκτών. Ένα σημαντικό πρόβλημα που αρχικά αντιμετώπισε η παρούσα διδακτορική διατριβή αφορά την ανάπτυξη βέλτιστης αρχιτεκτονικής διαχείρισης του σήματος εισόδου IF σε ένα δέκτη SDR μέσω κατάλληλης ψηφιακής επεξεργασίας των δειγμάτων εισόδου. Σκοπός της βαθμίδας είναι να υποβιβάσει το φάσμα του ψηφιακού σήματος εισόδου IF στη βασική ζώνη, υπολογίζοντας τις αντίστοιχες συνιστώσες του σήματος βασικής ζώνης. Περιορισμό στο πρόβλημα, αποτελεί η μέγιστη συχνότητα δειγματοληψίας του κυκλώματος ψηφιοποίησης. Η λύση που προτείνεται αντιμετωπίζει τις παραπάνω συνθήκες με μια νέα αρχιτεκτονική που βασίζεται σε δύο βαθμίδες μετατόπισης συχνότητας, μια σταθερής και μια προγραμματιζόμενης συχνότητας. Η προγραμματιζόμενη οδηγείται από την εκτίμηση του σφάλματος μετατόπισης συχνότητας που πραγματοποιείται σε επόμενο στάδιο επεξεργασίας του σήματος βασικής ζώνης. Το πλεονέκτημα της αρχιτεκτονικής αυτής, είναι η διπλάσια ακρίβεια στη ρύθμιση της συχνότητας σε σχέση με την κλασική προσέγγιση για δεδομένη συχνότητα δειγματοληψίας και αριθμό bits στον καταχωρητή συσσώρευσης φάσης του ταλαντωτή. Τέλος, ο παραπάνω υποβιβαστής προορίζεται για χρήση σε δέκτες SDR με χρήση μετατροπέων σήματος (ADC) περιορισμένης συχνότητας δειγματοληψίας. Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας, μελετήθηκε ο μηχανισμός ανάκτησης χρονισμού συμβόλου (Symbol Timing Recovery - STR) που υλοποιείται με τη χρήση κλειστού βρόχου δεύτερης τάξης και βασίζεται στο σήμα ενός ανιχνευτή σφάλματος χρονισμού (Timing Error Detector - TED). Τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά του βρόχου, όπως ο χρόνος και η ποιότητα σύγκλισης, καθορίζονται από τις τιμές του κέρδους των δύο κλάδων του φίλτρου του βρόχου πρώτης τάξης τύπου P-I (Proportional-Integral) που αποτελεί μια ευρέως διαδεδομένη λύση για τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές συγχρονισμού. Αφού περιγράφηκε και αναλύθηκε η γενικευμένη μεθοδολογία παραμετροποίησης του βρόχου, στη συνέχεια δόθηκε έμφαση σε βρόχους που αξιοποιούν τον ανιχνευτή Gardner. Τα χαρακτηριστικά ανεξαρτησίας του από τις τιμές των συμβόλων που χρησιμοποιεί καθώς και του παραμένοντος σφάλματος συχνότητας, τον καθιστούν μια αξιόπιστη λύση για τον συγχρονισμό συμβόλων πριν από το συγχρονισμό συχνότητας σε ψηφιακούς δέκτες. Κάνοντας χρήση της ανάλυσης αυτής και λόγω της υστέρησης των διαγραμμάτων πολλαπλών δακτυλίων τύπου M-APSK, ως προς την απόδοση του κλειστού βρόχου ανάκτησης χρονισμού συμβόλου, σε σχέση με τα διαγράμματα μονού δακτυλίου ίδιας μέσης ενέργειας, η διατριβή προτείνει μια παραλλαγή του τυπικού βρόχου για τη βελτίωση της συμπεριφοράς τους. Η αυξημένη διακύμανση στο σήμα εισόδου του ανιχνευτή λόγω της εναλλαγής των συμβόλων διαφορετικού πλάτους στην είσοδο του ανιχνευτή σφάλματος χρονισμού αποτελεί την κύρια αιτία για την αυξημένη διακύμανση κατά την παρακολούθηση του σφάλματος χρονισμού από τις δομές τέτοιων βρόχων. Η προσέγγιση που προτείνεται, βασίζεται στην εισαγωγή μιας υπομονάδας στον τυπικό βρόχο που προσαρμόζει τα πλάτη των συμβόλων όλων των δακτυλίων σε ένα δακτύλιο αναφοράς πριν την εισαγωγή τους στον ανιχνευτή σφάλματος χρονισμού. Επίσης κάνει χρήση του τοπικού ρολογιού του βρόχου με στόχο τη ρύθμιση του πλάτους συγκεκριμένων δειγμάτων του σήματος εισόδου και χωρίς να επηρεάζει τα πλάτη των συμβόλων που εισάγονται στο προσαρμοσμένο φίλτρο εξόδου. Η εφαρμογή της υπομονάδας έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του θορύβου κατά την παρακολούθηση του σφάλματος μετά την αρχική σύγκλιση του βρόχου, γεγονός που μεταφράζεται στη μείωση της τυπικής απόκλισης του σφάλματος εκτίμησης του χρονισμού σε σύγκριση με τον τυπικό βρόχο. Η απόδοση των βαθμίδων συγχρονισμού καθορίζεται συνήθως με βάση εσωτερικές παραμέτρους οι οποίες και επηρεάζονται σημαντικά από την αρχιτεκτονική του εκάστοτε μηχανισμού, την παράμετρο εκτίμησης καθώς και την κατάσταση λειτουργίας του μηχανισμού. Η διατριβή αξιοποιώντας την ύπαρξη πολλαπλών δακτυλίων στα διαγράμματα αστερισμού της μεθόδου διαμόρφωσης προτείνει ένα νέο ενιαίο μέγεθος εκτίμησης της απόδοσης των βαθμίδων συγχρονισμού σε δέκτες διαγραμμάτων πολλαπλών δακτυλίων M-APSK. Σημαντικό πλεονέκτημα του μέγεθος αποτελεί η αποκλειστική χρήση του σήματος εξόδου των βαθμίδων συγχρονισμού μέσω κατάλληλης επεξεργασίας (των παραγόμενων τιμών συμβόλων), παρέχοντας τη δυνατότητα στο μέγεθος να χρησιμοποιηθεί σε συνθήκες μετατόπισης συχνότητας/φάσης φορέα και/ή σφάλματος στο χρονισμό συμβόλου. Ένα άλλο πλεονέκτημα του παραπάνω μεγέθους σχετίζεται με το γεγονός ότι δεν είναι αναγκαία η γνώση των μεταδιδόμενων συμβόλων, σε αντίθεση με αντίστοιχα μεγέθη απόδοσης που χρησιμοποιούνται στην έξοδο των αποδιαμορφωτών, όπως το Error Vector Magnitude (EVM). Η μαθηματική ανάλυση της μέσης τιμής του μεγέθους σε συνθήκες προσθετικού λευκού προσθετικού θορύβου (AWGN) που παρουσιάζεται στη διατριβή αυτή αφορά τόσο την περίπτωση όπου ο δέκτης γνωρίζει τον δακτύλιο προέλευσης των λαμβανομένων συμβόλων, όσο και την περίπτωση όπου ο δέκτης αγνοεί τον δακτύλιο προέλευσης των λαμβανομένων συμβόλων και υπολογίζει το μέγεθος σύμφωνα με τον πλησιέστερο σε αυτά δακτύλιο. Το δεύτερο από τα παραπάνω σενάρια αφορά ρεαλιστικά συστήματα δεκτών όπου η πληροφορία του δακτυλίου προέλευσης των συμβόλων λήψης δεν είναι διαθέσιμη. Και στις δύο παραπάνω περιπτώσεις, αποδεικνύεται μια σταθερή σχέση του προτεινόμενου μεγέθους με το λόγο των ισχύων συμβόλου και θορύβου AWGN (Es/No). Βάσει των παραπάνω χαρακτηριστικών, το προτεινόμενο μέγεθος είναι σε θέση να αξιοποιηθεί για την εκτίμηση των συνθηκών στο κανάλι υπό συνθήκες λευκού Gaussian θορύβου μέσω επεξεργασίας του σήματος εξόδου από τον βρόχο STR ο οποίος αποτελεί συνήθως και τον πρώτο μηχανισμό συγχρονισμού σε ψηφιακούς δέκτες δορυφορικών επικοινωνιών. Αξίζει να σημειωθεί ότι η εκτίμηση των συνθηκών αυτών είναι εφικτή ακόμα και υπό συνθήκες σημαντικού παραμένοντος σφάλματος στη συχνότητα του φορέα. Η σπουδαιότητα της εκτίμησης αυτής έγκειται στο γεγονός ότι μπορεί να αξιοποιηθεί από τις ακόλουθες βαθμίδες συγχρονισμού (συχνότητας φορέα και φάσης) για την κατάλληλη προσαρμογή και επιτάχυνση των λειτουργιών τους. Μία δεύτερη μορφή αξιοποίησης του μεγέθους αποτελεί και η εκτίμηση-διόρθωση μεγάλων αποκλίσεων στη συχνότητα του φορέα κάνοντας χρήση προς επεξεργασία παραγόμενων, από το συγκεκριμένο βρόχο, σημάτων. Τα σήματα αυτά σχετίζονται με την είσοδο και την έξοδο του προσαρμοσμένου φίλτρου του βρόχου STR. Ο έλεγχος της απόκλισης στη συχνότητα του φορέα στο συγκεκριμένο σημείο επεξεργασίας των ψηφιακών δεκτών κάτω από συγκεκριμένα όρια, είναι ιδιαίτερα κρίσιμος καθώς επηρεάζει σημαντικά την απόδοση και αποτελεσματικότητα των ακόλουθων βαθμίδων συγχρονισμού. Στο τελικό στάδιό της, η διατριβή αναλύει και παρουσιάζει την υλοποίηση ενός πλήρους αποδιαμορφωτή SDR τεχνολογίας DVB-S2 σε πλατφόρμα επαναπρογραμματιζόμενης λογικής που συνδυάζει κυκλώματα υλικού και λογισμικού (FPGA, DSP). O αποδιαμορφωτής υποστηρίζει τα διαγράμματα μονού (QPSK/8PSK), διπλού (16APSK) και τριπλού (32APSK) δακτυλίου, ενώ αποτελεί τμήμα ενός συνολικού δέκτη DVB-S2 που υλοποιεί όλες τις λειτουργίες, από τη διαχείριση του σήματος εισόδου ΙF μέχρι την προώθηση της ανακτώμενης ψηφιακής πληροφορίας σε τοπικό δίκτυο GbE-LAN. Στην υλοποίηση του αποδιαμορφωτή περιλαμβάνεται η υλοποίηση σε κύκλωμα FPGA του προτεινόμενου υποβιβαστή συχνότητας IF, η υλοποίηση σε DSP του βρόχου STR (βάσει του ανιχνευτή Gardner) και όλων των υπόλοιπων μηχανισμών συγχρονισμού που είναι απαραίτητοι για τη σωστή αποδιαμόρφωση του σήματος εισόδου. Οι μηχανισμοί αυτοί είναι: συγχρονισμός πλαισίου, συγχρονισμός συχνότητας και φάσης φορέα καθώς και κανονικοποίηση πλάτους πριν την αντιστοίχιση των bits. Επίσης δίνονται πληροφορίες για την υλοποίηση των μηχανισμών αντιστοίχισης (Demapping), διόρθωσης σφαλμάτων (FEC - LDPC/BCH) καθώς και του μηχανισμού διαχείρισης και προώθησης (BBFRAME Processing) της ανακτώμενης πληροφορίας προς τη διεπαφή τοπικού δικτύου του δέκτη DVB-S2. / The objective of this thesis is the analysis and study of the synchronization mechanisms performed by digital satellite terminal receivers when multiple ring constellation diagrams are used. The aim of this thesis is to develop new synchronization techniques that exhibit improved performance and to also propose new methods and ways for evaluating the effectiveness of such receiver submodules. The new trends in the field of digital communications systems and, especially, in modulation and error coding techniques, along with the increasing demand for more effective and interactive applications and services through limited satellite links, have initiated the development of new satellite communications standards. The newest standard is DVB-S2, by the European Space Agency (ESA), in which modern and up-to-date techniques for the design of satellite terminal receiver are required. Meanwhile, the Software Defined Radio (SDR) technology comprises a promising implementation approach as it incorporates the necessary flexibility and versatility for supporting various functionalities and rates into modern receiver structures. Synchronization functions of satellite receivers are complicated and demanding procedures that are related to the estimation of transmission parameters, which correspond to the nominal symbol rate, carrier frequency, phase and to the boundaries of the physical layer frames. These functions determine the complexity and performance of receiver realizations. Thus developing more efficient and simple, in terms of implementation complexity, algorithms and mechanisms is a key objective in such processing platforms. A significant problem that was encountered during the research for the present thesis, was the design and implementation of an efficient digital IF down-converter architecture that is able to manipulate the input IF signal of an SDR receiver through proper processing of its digital input sample stream. The objective of this unit is the shifting of the IF input signal to baseband and the generation of the corresponding baseband I, Q signals. A usual limitation in such realizations is the maximum sampling frequency of front-end ADC circuits. The presented solution addresses this constraint with an architecture that is based on two cascaded units of frequency down-conversion, one with fixed and one with programmable frequency. The programmable unit is driven by the frequency offset estimations of a following baseband processing stage. The advantage of this architecture is the double precision that is achieved compared to the typical approach and for a given sampling frequency. It is worth mentioning that the frequency converter is intended for use in SDR receivers utilizing ADC circuits of moderate sampling frequency. Additionally, in the framework of this thesis, the Symbol Timing Recovery (STR) mechanism based on a second order feedback loop driven by the signal of a timing error detector (TED), was studied and analyzed. The fundamental characteristics of such a control loop, mainly the duration and quality of the initial acquisition are defined through the gain value of the two paths included into the first order loop filter (Proportional-Integral, P-I). This structure comprises a usual approach for communications applications. Conforming to this general analysis for the configuration and the design of the feedback loop, the thesis focuses on the feedback loop incorporating the Non-Data-Aided (NDA) Gardner TED. Using the above analysis and due to the fact that multiple ring constellation diagrams exhibit insufficient performance in such closed loops in comparison to the single ring counterparts of the same mean energy, this thesis proposes a modification of the typical loop deploying the Gardner TED that improves its performance. The increased variance of the input signal of the TED that stems from the changes of symbols with variable magnitude comprises the main reason for the increased variance during the tracking of the timing error in such loop structures. The proposed approach is based on the insertion of a subunit inside the loop structure that adjusts the symbol magnitudes of all rings to a reference magnitude before they are fed into the Gardner TED logic. The above subunit makes use of the internally generated clock of the loop in order to control the magnitude of specific signal samples and does not affect the sample stream at the matched filter input. The application of the specific subunit has the advantage of minimizing the noise during the tracking operation of the loop, which leads to the decrease of the standard deviation of the estimation error when compared to the typical loop structure. The performance of synchronization mechanisms is usually evaluated based on internal parameters that are strongly related to the utilized architecture, the estimated parameter and the operational status of the specific mechanism. The present thesis exploits the use of multiple ring constellation diagrams in modulation process and proposes a generic and new `figure of merit' that is able to determine the performance of various synchronization mechanisms that are incorporated into multiple ring constellation (M-APSK) receivers. A significant advantage of this metric is that it solely based on the processing of the signal at the mechanism's output (extracted symbol values) which enables the utilization of this metric in the presence of frequency, phase and symbol rate offset errors. Another advantage of the proposed metric is that it does not require any knowledge on the transmitted symbols, in contrast to other widely used performance metrics that are applied at the demodulator output, such as the Error Vector Magnitude (EVM) e.t.c. The mathematical analysis of the mean value of the metric under additive white Gaussian noise (AWGN) that is exhibited in this document, includes the theoretical and practical cases. In the first, the receiver is aware of the ring derivation of received symbols, whereas in the second case this information is absent and the receiver determines the metric according to the nearest ring for each symbol. The second case corresponds to realistic receiver realizations. As is shown, in both cases there is a fixed relation between the proposed metric and the commonly used performance metric ratio Es/No for AWGN channels. According to the characteristics described above, the proposed metric can be utilized for the estimation of channel condition under additive white Gaussian noise. This is accomplished through the processing of the STR output signal (symbol values) which usually comprises the first synchronization mechanism in digital satellite terminal receivers. It is worth mentioning that the channel estimation is feasible even under significant carrier frequency offset errors. The significance of the above process is related to the fact that this estimation can be exploited by the following synchronization subunits (of carrier frequency and phase) of the receiver in order to properly adjust and make their operations faster. A second application of the proposed metric is the recovery of large frequency offset errors by processing the signal at the input and the output of the matched filter of the previously mentioned STR structure. The control of frequency offset errors at such point of the receiver processing chain under specific limits, is critical as it strongly affects the performance and efficiency of the following synchronization mechanisms. Finally, this thesis analyzes and presents the implementation of a complete SDR IF demodulator that is compliant to DVB-S2 technology and is based on a reconfigurable hardware platform. This platform incorporates hardware (FPGA) and software (DSP) circuits in a unified environment. The IF demodulator supports single (QPSK/8PSK), two (16APSK) and three (32APSK) ring constellations and comprises a significant part of a full receiver implementation that includes all the necessary functions ranging from the manipulation of the input IF signal to the forwarding of the recovered user information to a Gigabit Ethernet (GbE) LAN. In addition, the IF demodulator implementation includes the hardware realization of the IF digital down-converter into an FPGA device and the software realization of the remaining synchronization procedures starting from the STR into the available DSP processors of the reconfigurable platform. The other necessary procedures for the proper demodulation of the input signal, are: frame synchronization, carrier frequency/phase recovery and amplitude normalization. Furthermore, information is also given on the implementation of the corresponding demapping, error correction and LAN interfacing procedures that are performed in the following processing stages of the DVB-S2 receiver.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως στόχο τη δημιουργία ενός αποδοτικού μοντέλου για το Λειτουργικό Συνδυασμό Βιο-Ιατρικών δεδομένων (BioMedical data integration). Ξεκινώντας από τη σχεδιαστική ανάλυση της ιατρικής γνώσης και των προβλημάτων που προκύπτουν από τον τρόπο παραγωγής των ιατρικών δεδομένων, προχωρεί στην επίλυση των επιμέρους θεμάτων Λειτουργικού Συνδυασμού εντός ενός συγκεκριμένου ιατρικού πεδίου και καταλήγει στον ολοκληρωμένο Λειτουργικό Συνδυασμό ιατρικών δεδομένων προερχόμενων από διαφορετικές πηγές και πεδία γνώσης. Συνεχίζει με τη σχεδίαση ενός μοντέλου βάσεων δεδομένων που ακολουθεί «οριζόντια» λογική και είναι αρκετά αποδοτικό ώστε να αποκρίνεται σε πολύπλοκα και ευρείας κλίμακας ερωτήματα σε πραγματικό χρόνο. Καταλήγει με την παρουσίαση μίας ολοκληρωμένης εφαρμογής η οποία εκμεταλλευόμενη τα πλεονεκτήματα του Λειτουργικού Συνδυασμού και της οριζόντιας δομής των δεδομένων είναι σε θέση να διαχειριστεί εξετάσεις προερχόμενες από κάθε κυτταρομετρητή ροής και συνδυάζοντάς αυτές με τις υπόλοιπες αιματολογικές κλινικοεργαστηριακές εξετάσεις να απαντά σε καθημερινά και σύνθετα ερευνητικά, ιατρικά ερωτήματα. Τα πρωτότυπα ερευνητικά αποτελέσματα που προέκυψαν στα πλαίσια της παρούσης εργασίας δημοσιεύτηκαν σε έγκυρα διεθνή περιοδικά και σε διεθνή και ελληνικά συνέδρια με κριτές. / Current dissertation focuses on the creation of an efficient model for Bio-medical data integration. Starting with an analytical approach of the medical knowledge and the problems that may occur cause of the way that medical data are produced, continues with the necessary solutions for single domain data integration and concludes with the proposal of a working framework for mass data integration, originating from multiple medical domains. The proposed integration model is based on the “horizontal” logic of a database design and it’s efficient enough to produce query results in real time, even for complex real-life medical questions. The proof of concept of the working framework and its goals for mass data integration is achieved through the presentation of a medical information system. The presented system, by taking advantage of the “horizontal” database design, is able to manage Flow Cytometry measurements, originating for any available hardware and by integrating the cytometric data with other types of hematological data is able to give answers to everyday and research medical questions. All original research results that produced within the scope of this dissertation were published in international research journals and medical conferences.

Στο πλαίσιο της εργασίας αυτής προτείνεται μια τεχνική η οποία προσπαθεί να κάνει ταυτόχρονα εκτίμηση της οπτικής ροής καθώς επίσης και διαμέριση της σκηνής σε διαφορετικά κινούμενα σώματα. Συγκεκριμένα προτείνεται η λύση μιας ακολουθίας προβλημάτων ελαχιστοποίησης. Κάθε πρόβλημα ελαχιστοποίησης προσπαθεί να απομονώσει κάποιο κινούμενο σώμα από την σκηνή και εκτιμά για αυτό μία ταχύτητα. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την εφαρμογή της τεχνικής σε προβλήματα εκτίμησης της οπτικής ροής διαφορετικής πολυπλοκότητας δείχνουν ότι η επίδοση της προτεινόμενης τεχνικής είναι ικανοποιητική. / In this thesis, a method, which tries to estimate the optical flow field, and segment the scene at the same time, is suggested. Specifically, a series of minimization problems are solved. Each of these minimization problems, tries to isolate a moving object from the scene, and estimate for it a velocity. The results from applying the suggested method in several optical flow estimation problems, with varying complexities, show that the performance of the method is very promising.

Η παρούσα έρευνα εντάσσεται στο πλαίσιο εκπόνησης διδακτορικής διατριβής στο Εργαστήριο του Τμήματος Αρχιτεκτόνων Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Η χαρτογράφηση της εγκληματικότητας (Crime Mapping) είναι η διαδικασία χρήσης της τεχνολογίας των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών και της εφαρμογής μεθόδων και τεχνικών της Χωρικής Ανάλυσης και της Χαρτογραφίας για την μελέτη και ανάλυση εγκληματικών συμβάντων. Ένα μεγάλο σύνολο ανθρωπίνων δραστηριοτήτων αναπτύσσεται, παρατηρείται και καταγράφεται στους αστικούς χώρους. Η επίδραση που ασκεί ο χώρος στην ανθρώπινη συμπεριφορά αλλά και η επίδραση της ανθρώπινης συμπεριφοράς που ασκείται πάνω στον χώρο είναι μια σχέση αμφίδρομη και αποτελεί σημαντικό στοιχείο για το σχεδιασμό. Συνεπώς, η δομή αυτή καθ’ αυτή των πόλεων, οι ήδη διαμορφωμένοι δημόσιοι αστικοί χώροι και οι κοινωνικό-οικονομικές αλλαγές που συντελούνται, συνιστούν μια πρόκληση για τους σύγχρονους σχεδιαστές του χώρου αυτού. Η έρευνα αφορά τη μελέτη της χωρικής κατανομής εγκλημάτων ιδιοκτησίας (απόπειρες, κλοπές, διαρρήξεις, ληστείες) στον αστικό ιστό της πόλης σε σχέση με χωρικά χαρακτηριστικά και κυρίως με πολεοδομικές παραμέτρους, ενώ παράλληλα εστιάζει με τρόπο ώστε να είναι δυνατή η εφαρμογή και ενσωμάτωση πορισμάτων της εγκληματολογίας στην διαδικασία του πολεοδομικού σχεδιασμού και γενικότερα του σχεδιασμού του χώρου. Ολοκληρώνεται, με συστηματική μελέτη περίπτωσης, μέσω αναλυτικής στατιστικής ανάλυσης και ανάλυσης γεωστατιστικής σχετικών δεδομένων που αφορούν το Σχέδιο Πόλεως Πατρών και τη δημιουργία γεωσυνόλων και θεματικών χαρτών που απεικονίζουν τη χωρική κατανομή του φαινομένου. Για την ανάλυση των χαρακτηριστικών της μελέτης περίπτωσης χρησιμοποιούνται χωρικές βάσεις δεδομένων με στοιχεία που η Γενική Αστυνομική Διεύθυνση Περιφέρειας Δυτικής Ελλάδος διέθεσε για την εκπόνηση της εργασίας: 4.770 απογραφικά δελτία εγκληματικών συμβάντων (εγκλήματα ιδιοκτησίας) που αφορούν το σύνολο τεσσάρων ετών από το 2007 έως και το 2010. Η εκπόνηση της έρευνας χρηματοδοτήθηκε από το Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση, Ηράκλειτος ΙΙ, Υπουργείο Παιδείας και Θρησκευμάτων, ΕΣΠΑ 2007 – 2013, Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο. / This thesis has been elaborated in the Laboratory of Urban and Regional Planning, Department of Architecture, University of Patras. Crime Mapping is the process of using GIS technology and the implementation of Spatial Analysis and Mapping methods for studying and analysis of criminal incidents. In recent years, the rapid evolution of GIS technology and the availability of digital spatial data have strengthened the significant role of spatial analysis and GIS in crime analysis. A great deal of human activity is developed, observed and recorded in urban areas. The human impact is implemented on the urban areas as well as the urban areas have an impact on human behavior, setting a correlation that is an important design/planning characteristic. Consequently, the structure of modern cities, the existing urban public spaces along with the socioeconomic changes that happen constitute a challenge for contemporary designers and planners. The research is based on the study of spatial criminal distribution of property crimes (attempts, thefts, burglaries, robberies) in the urban web of a city, in terms of spatial characteristics and urban planning parameters while it focuses on criminology findings so as they can be incorporated and applied in urban planning in order to design and identify strategic orientations and create safer urban areas. It concludes with a systematic case study through an analytical statistical and geostatistical analysis of relevant data concerning the Master Plan of city of Patras and the development of geosets and thematic maps depicting the spatial distribution of the phenomenon. For that purpose, the Central Police Department of Patras offered to the university Laboratory all census forms of criminal acts and events (property crimes): 4.770 reports that took place at the city of Patras (Greece) during the years 2007 – 2010. This research has been co-financed by the European Union (European Social Fund – ESF) and Greek national funds through the Operational Program “Education and Lifelong Learning” of the National Strategic Reference Framework (NSRF) - Research Funding Program: Heracleitus II.

To θέμα του εντοπισμού των κινητών τηλεφώνων έχει τραβήξει την προσοχή τα τελευταία χρόνια εξαιτίας των απαιτήσεων της Ομοσπονδιακής Επιτροπής Επικοινωνιών για το Enhanced 911 η οποία είναι μια υπηρεσία συναγερμού. Τα ασύρματα συστήματα επικοινωνίας 3ης γενιάς ηταν τα πρώτα που υιοθέτησαν στρατηγικές εύρεσης θέσης στα στάνταρντ τους. Στην διαδικασία της εύρεσης της θέσης υπάρχουν 3 βασικές κατηγορίες μετρήσεων που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε. Η πρώτη εκτιμά το κινητό βασίζοντας τις μετρήσεις στην λαμβανόμενη ισχύ σήματος. Η δεύτερη κάνει χρήση των χρόνων άφιξης ή της διαφοράς των χρόνων άφιξης στους σταθμούς βάσης. Η τρίτη κατηγορία έχει να κάνει με τις γωνίες άφιξης στους σταθμούς βάσης. Όλες οι παραπάνω κατηγορίες μετρήσεων υποβαθμίζονται έντονα από την NLOS διάδοση. Η απουσία ενός LOS μονοπατιού μπορεί να βλάψει σημαντικά την εκτίμηση της πραγματικής θέσης του κινητού. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής είναι η συγκριτική αξιολόγηση και μελέτη κάποιων δημοφιλών τεχνικών εντοπισμού θέσης απλών και υβριδικών κάτω από διαφορετικά ΝLOS περιβάλλοντα και σε συνδυασμό με άλλες εξίσου σημαντικές παραμετρους όπως ειναι το διαθέσιμο πλήθος σταθμών βάσης σε μια περιοχή, η γεωμετρία ή με άλλα λόγια η θέση του κινητού σε σχέση με τους σταθμους βάσης. Προτείνεται επίσης και μια υβριδική τεχνική για την αντιμετώπιση των παραπάνω καταστρεπτικών επιπτώσεων του NLOS φαινομένου. / The problem of mobile location estimation has recently drawn attention due to Federal Communications Commission (FCC) demands of Enhanced-911 (E911) emergency service. Third Generation (3G) wireless systems were the first to adopt location estimation techniques into their standards. There are three basic types of measurements that can be used for location estimation. The first type includes Received Signal Strength measurements. The second type uses Time of Arrival or Time Difference of Arrival measurements of the signal to the base stations. The third type deals with Angle of Arrival measurements of the received signal. The subject of this work is the comparative evaluation and study of certain popular, simple and hybrid location estimation techniques, under different NLOS environments and in conjunction with other equally important parameters such as the number of available base stations, the geometry of the problem and the position of the mobile relative to the base stations. A hybrid method is also suggested for mitigating the destructive consequences of the NLOS effect.

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής έγινε προσπάθεια να μελετηθούν μέσω φασματοσκοπίας Raman τα δομικά και τα δυναμικά χαρακτηριστικά διαφόρων ανόργανων υγρών και γυαλιών σε μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος. Αναπτύχθηκαν μέθοδοι, με τις οποίες επιτεύχθηκε η φασματοσκοπική μελέτη υλικών υψηλής καθαρότητας σε θερμοκρασίες έως και 2000oC. Τα φασματοσκοπικά δεδομένα Raman διαφόρων γυαλιών και υγρών περιορίζονται σε θερμοκρασίες έως 1000oC λόγω διαφόρων πειραματικών δυσκολιών που παρουσιάζονται σε μετρήσεις δονητικής φασματοσκοπίας σε υψηλές θερμοκρασίες. Η κυριότερη δυσκολία είναι η πολύ ισχυρή ακτινοβολία μέλανος σώματος, η οποία υπερκαλύπτει το ασθενές σήμα Raman μην επιτρέποντας από κάποιο σημείο και πέρα τη λήψη των φασμάτων. Προκειμένου να ξεπεραστούν οι πειραματικές δυσκολίες αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής ένα σύστημα Raman που συνδυάζει τις «τεχνικές ελλείψεως δοχείου» (“containerless techniques”) και τη χρήση ενός laser υπερύθρου (CO2-laser) ως θερμαντική πηγή, επιτρέποντας τη λήψη φασμάτων για πρώτη φορά σε θερμοκρασίες έως και 2000oC. Οι «τεχνικές ελλείψεως δοχείου» χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, την «τεχνική αιώρησης» του δείγματος (“levitation technique”) όπου το υλικό αιωρείται υπό μορφή υγρής σταγόνας σε κατάλληλης γεωμετρίας ακροφύσιο με χρήση προωθητικού αερίου και την «τεχνική αυτοϋποστήριξης» του δείγματος (“self-support technique”) όπου το υγρό υποστηρίζεται από τη στερεά φάση του ίδιου υλικού. Το βασικότερο πλεονεκτήμα του συνδυασμού της φασματοσκοπίας Raman, των «τεχνικών ελλείψεως δοχείου» και της θέρμανσης με χρήση ενός laser υπερύθρου είναι ο σημαντικός περιορισμός της θερμικής εκπομπής, αφού απουσιάζει η ισχυρή θερμική εκπομπή του φούρνου, δίνοντας τη δυνατότητα μελέτης υψηλότηκτων υλικών αποφεύγοντας μολύνσεις, ετερογενή πυρηνοποίηση, αντιδράσεις μεταξύ υλικών και δοχείων σε υψηλές θερμοκρασίες επιτρέποντας την εφαρμογή της επιθυμητής ατμόσφαιρας στο υπό εξέταση υλικό. Μελετήθηκαν με δονητική φασματοσκοπία Raman μη-οξυγονούχες (ZnCl2, ZnBr2, xZnCl2-(1-x)AlCl3) και οξυγονούχες (SiO2, K2Si4O9, xCaO-(1-x)SiO2, xCaO-(1-x)Al2O3) ενώσεις με ενδογενείς πειραματικές δυσκολίες, όπως πολύ υψηλά σημεία τήξης (~2000oC για την περίπτωση των οξειδίων), υψηλή υγροσκοπικότητα, μεγάλες τάσεις ατμών κ.α. ξεπερνώντας τους διαφόρους πειραματικούς περιορισμούς και πραγματοποιήθηκε προσπάθεια σύνδεσης ανάμεσα στο δομικό και δυναμικό χαρακτήρα τους λαμβάνοντας φάσματα Raman σε θερμοκρασιακό εύρος που περιλαμβάνει την κρυσταλλική, υαλώδη, υπέρψυκτη και υγρή κατάσταση. Από τις πληροφορίες που λαμβάνονται για τα τοπικά πολύεδρα συναρμογής σε μικρής κλίμακας τάξη μέσω φασματοσκοπίας Raman γίνεται προσπάθεια να διασαφηνιστεί ο ρόλος των «τροποποιητών του δικτύου» (“network modifiers”) κατά την εισαγωγή τους σε υλικά με πλήρως πολυμερισμένες, τρισδιάστατες, δικτυακές τετραεδρικές δομές (“network formers”). Η δομή σε ενδιάμεσης κλίμακας τάξη (φάσμα Raman χαμηλών συχνοτήτων), η κορυφή Boson, η ημιελαστική κορυφή και χαρακτηριστικά όπως ο εύθραυστος/ισχυρός χαρακτήρας και η μη-εκθετική/εκθετική συμπεριφορά των υπό μελέτη υλικών προσδιορίστηκαν συναρτήσει της θερμοκρασίας και τα αποτελέσματα αναλύονται στα πλαίσια θεωρητικών και φαινομενολογικών μοντέλων που αφορούν την υαλώδη μετάβαση. / e present the Raman spectroscopic results concerning the structure and the dynamics of several inorganic melts and glasses in a broad temperature range. The development of pioneering methods appropriate for high temperature material research and their combination with Raman spectroscopy provided spectroscopic results of high-purity materials at temperatures up to 2000oC. High-temperature Raman data are limited at temperatures below 1000oC due to several experimental difficulties concerning high-temperature vibrational measurements. The main difficulty is the intensive black body radiation, which overwhelms the weak Raman signal and consequently no spectrum can be recorded. In order to overcome the experimental difficulties, we developed a Raman setup, which combines the “containerless techniques” with the use of an infrared laser (CO2-laser) as a heating source permitting the recording of Raman spectra at temperatures up to 2000oC. The “containerless techniques” are divided in two main categories. The “levitation technique”, where the liquid sample is levitated using a nozzle with the appropriate geometry and a supporting gas and the “self-support technique”, where the liquid sample is supported from the solid part of the same material. The main advantage of the Raman spectroscopy-containerlees techniques-laser heating combination is the effective limitation of the black body radiation giving the opportunity to use the desirable atmosphere on the sample and study high-melting materials preventing contamination, heterogeneous nucleation, reactions between materials and containers at high temperatures. We studied several non-oxide (ZnCl2, ZnBr2, xZnCl2-(1-x)AlCl3) and oxide (SiO2, K2Si4O9, xCaO-(1-x)SiO2, xCaO-(1-x)Al2O3) systems with intrinsic experimental difficulties, such as high melting points (~2000oC), hygroscopic nature, high vapor pressures etc. We recorded Raman spectra in extensive temperature range covering the crystalline, the glassy, the supercooled and the molten state in order to elucidate the structure and the involved dynamics of these materials. Information concerning the local coordination polyhedra in short range order have been used for clarifying the role of “network modifiers” inside the fully polymerized threedimensional tetrahedral networks (“network formers”). The structure in medium range order (low-frequency Raman spectrum), the Boson peak, the Quasi-Elastic line and characteristics such as the fragile/strong character and the non-exponential/exponential behavior of these materials have been put under focus and the results are discussed in the framework of the current phenomenological status of the field.

Αντικείµενο της παρούσας διατριβής είναι η αξιοποίηση των γραµµών χαµηλής τάσης εντός κτιρίων για τη δηµιουργία ενός τοπικού δικτύου επικοινωνιών για µετάδοση δεδοµένων σε υψηλές ταχύτητες µε σκοπό την παροχή υπηρεσιών ευρείας ζώνης στον τελικό χρήστη. Η χρήση του δικτύου παροχής ηλεκτρικής ενέργειας ως επικοινωνιακό µέσο σε υψηλές συχνότητες εξαρτάται από την αντιµετώπιση των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της συµπεριφοράς του, που περιλαµβάνουν επιλεκτική εξασθένηση πλάτους συναρτήσει της συχνότητας, παραµόρφωση φάσης που εξαρτάται από τα µήκη των γραµµών, ισχυρό κρουστικό θόρυβο και παρεµβολές στενής ζώνης. Οι συνθήκες µετάδοσης επηρεάζονται επίσης δυσµενώς από την εξάρτηση των παραπάνω χαρακτηριστικών από το χρόνο, η οποία οφείλεται στη µεταβολή της φόρτισης του δικτύου. Η σύγχρονη αντιµετώπιση του επικοινωνιακού µέσου στηρίζεται σε εµπειρικά µοντέλα συµπεριφοράς, που πηγάζουν από µετρητικά δεδοµένα σε πειραµατικά δίκτυα και επιχειρεί να καλύψει αξιόπιστα µε κατάλληλες τεχνικές µετάδοσης τη ‘χειρότερη’ περίπτωση σε ότι αφορά τις συνθήκες του καναλιού, χωρίς να βοηθά στην κατανόηση των παραγόντων που επηρεάζουν τη συµπεριφορά του µέσου, ώστε να είναι εφικτή και η ουσιαστική αντιµετώπισή τους. Η παρούσα εργασία ακολουθεί µια διαφορετική προσέγγιση για την αξιοποίηση του µέσου, που στοχεύει στην ουσιαστική αντιµετώπιση της χρονικά µεταβαλλόµενης συµπεριφοράς του µέσου, προτείνοντας διαδικασίες και τεχνικές που προσαρµόζουν τη µετάδοση στο υφιστάµενο επικοινωνιακό περιβάλλον. Η ανάπτυξη των διαδικασιών αυτών στηρίχθηκε σε ένα πρότυπο περιβάλλον επικοινωνιών που καλείται pDSL (powerline Digital Subscriber Lines) και προτάθηκε για να αποτελέσει το πλαίσιο, σύµφωνα µε το οποίο αναπτύχθηκαν διαδικασίες ανίχνευσης και προσαρµογής της µετάδοσης στις συνθήκες του καναλιού. Στο pDSL περιβάλλον ορίζονται επικοινωνιακά κανάλια που ισοδυναµούν µε ‘σηµείο-προς-σηµείο’ ζεύξεις µεταξύ της pDSL πύλης (κεντρική µονάδα του δικτύου και µονάδα διασύνδεσης του τοπικού δικτύου µε άλλα δίκτυα) και των pDSL επικοινωνιακών συσκευών, όπως ονοµάζονται οι ηλεκτρονικές συσκευές που απαιτούν υπηρεσίες µετάδοσης δεδοµένων υψηλών ταχυτήτων. Η ανάπτυξη των τεχνικών µετάδοσης που αντιµετωπίζουν τις συνθήκες που επικρατούν στο επικοινωνιακό µέσο στηρίζεται στο χαρακτηρισµό της συµπεριφοράς του. Πρώτο βήµα της διαδικασίας αυτής αποτελεί η σύνδεση της απόκρισης του καναλιού µετάδοσης µε τα χαρακτηριστικά του δικτύου γραµµών. Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε και παρουσιάζεται ένας αλγόριθµος ανάλυσης της πολυοδικής µετάδοσης του σήµατος στο δίκτυο των γραµµών χαµηλής τάσης, ο οποίος προσδιορίζει µε αναλυτικό τρόπο τα προϊόντα της µετάδοσης που πραγµατοποιείται µέσω πολλαπλών διαδροµών στο δίκτυοκαι συνθέτει την κρουστική και φασµατική απόκρισή του. Ο αλγόριθµος βασίζεται στην περιγραφή της τοπολογίας, των χαρακτηριστικών µετάδοσης των καλωδίων και των εµπεδήσεων των φορτίων τερµατισµού της. Η εργασία περιλαµβάνει επίσης την ανάπτυξη δύο πειραµατικών µεθοδολογιών µε τις οποίες πραγµατοποιείται η εκτίµηση των χαρακτηριστικών µετάδοσης των καλωδίων χαµηλής τάσης στις υψηλές συχνότητες και της εµπέδησης των ηλεκτρικών φορτίων που συνδέονται στα δίκτυα αυτά. Τα µεγέθη αυτά προκαλούν την εξάρτηση της συµπεριφοράς του µέσου µετάδοσης από τη συχνότητα και το χρόνο και ο προσδιορισµός τους είναι αναγκαίος για την εφαρµογή της ανάλυσης και της πρόβλεψης της συµπεριφοράς του καναλιού µε τη βοήθεια του αλγορίθµου ανάλυσης. Η αξιοπιστία των µεθόδων πιστοποιήθηκε µε τη σύγκριση της πειραµατικής και της θεωρητικής συνάρτησης µεταφοράς των καναλιών που σχηµατίζονται σε πειραµατικές τοπολογίες γραµµών χαµηλής τάσης, οι οποίες κατασκευάστηκαν για το σκοπό αυτό. Στην παρούσα εργασία, η ανάλυση της συµπεριφοράς του µέσου πλαισιώνεται µε τη σχεδίαση και την υλοποίηση ενός εξοµοιωτή πραγµατικού χρόνου του επικοινωνιακού καναλιού, ο οποίος εξοµοιώνει τη χρονικά µεταβαλλόµενη συµπεριφορά του µέσου µε βάση την τοπολογία και τη φόρτιση του. Ο εξοµοιωτής αυτός µπορεί να αποτελέσει πολύτιµο εργαλείο ελέγχου νέων τεχνικών µετάδοσης, κάτω από διαφορετικές συνθήκες επικοινωνίες. Τέλος, µε βάση το χαρακτηρισµό της συµπεριφοράς του επικοινωνιακού µέσου που προηγήθηκε επιχειρείται η ανάπτυξη διαδικασιών που αποσκοπούν στην ανίχνευση των συνθηκών που επικρατούν στο επικοινωνιακό κανάλι και στην προσαρµογή της τεχνικής µετάδοσης σε αυτές, στα πλαίσια της pDSL αρχιτεκτονικής επικοινωνιών. Για την ανίχνευση των συνθηκών µετάδοσης στις επικοινωνιακές ζεύξεις αναπτύχθηκαν δύο επιµέρους διαδικασίες: η ‘αρχική συνθηκοθέτηση’ του καναλιού, που πραγµατοποιείται κατά την αρχικοποίηση των επικοινωνιακών ζεύξεων και η ‘ενδιάµεση συνθηκοθέτηση’ που εκτελείται περιοδικά και επανεκτιµά τις συνθήκες του καναλιού κατά τη διάρκεια της µετάδοσης. Η δεύτερη διαδικασία, η οποία υπόκειται σε εξαιρετικά αυστηρούς χρονικούς περιορισµούς, πλαισιώθηκε από µια µέθοδο πρόβλεψης της συµπεριφοράς του µέσου που επιταχύνει και συµπληρώνει τη διαδικασία ‘ενδιάµεσης συνθηκοθέτησης’ και βασίζεται στη διαθέσιµη πληροφορία εκτίµησης του καναλιού και στον αλγόριθµο ανάλυσης της µετάδοσης στο κανάλι. Η προτεινόµενη διαδικασία προσαρµογής της µετάδοσης στις τρέχουσες συνθήκες που επικρατούν στο κανάλι στοχεύει στην κατάλληλη ανακατανοµή του διαθέσιµου εύρους ζώνης στις επικοινωνιακές ζεύξεις, Η διαδικασία αξιοποιεί την πληροφορία της εκτίµησης των συνθηκών στο µέσο και επιχειρεί να χαρακτηρίσει τα διαθέσιµα υπο-κανάλια ως προς την καταλληλότητα τους για µετάδοση δεδοµένων, ώστε να τα κατανείµει µε βέλτιστο τρόπο στις ζεύξεις, ανάλογα µε τις απαιτήσεις τους σε ρυθµό µετάδοσης.

Σκοπός της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η ανάπτυξη και εφαρμογή τεχνικών ψηφιακής επεξεργασίας εικόνων για τον εντοπισμό του οφθαλμού και τον υπολογισμό συγκεκριμένων παραμέτρων που συνδέονται με την κατάσταση του χρήστη. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε ένα ολοκληρωμένο Σύστημα Εντοπισμού Οφθαλμού που περιλαμβάνει τα υποσυστήματα της CMOS κάμερα, της μεταφοράς δεδομένων – εικόνων, της ψηφιοποίησης των δεδομένων, και τέλος το υποσύστημα της επεξεργασίας εικόνων οφθαλμού και του υπολογισμού παραμέτρων. Στα πλαίσια του τελευταίου αυτού υποσυστήματος αναπτύχθηκαν δύο μεθοδολογίες που βασίστηκαν στην εφαρμογή αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας εικόνων. Η πρώτη μεθοδολογία βασίστηκε στον υπολογισμό της μέσης φωτεινότητας για την άνω και την κάτω περιοχή του οφθαλμού. Η χρονική μεταβολή των δύο τιμών της φωτεινότητας χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή πληροφοριών για την κατάσταση του οφθαλμού (ανοιχτός ή κλειστός). Η δεύτερη μεθοδολογία στηρίχτηκε σε ένα συνδυασμό τεχνικών ψηφιακής επεξεργασίας εικόνων. Η επεξεργασία κάθε εικόνας της ακολουθίας video περιλαμβάνει τέσσερα βασικά βήματα: (α) ευθυγράμμιση της εικόνας σε σχέση με ένα κοινό σύστημα αναφοράς, (β) εφαρμογή δύο φίλτρων για την ανίχνευση των κορυφών και των κοιλάδων της εικόνας, (γ) σύντηξη των δύο φιλτραρισμένων εικόνων που προκύπτουν και (δ) μετατροπή της εικόνας σύντηξης σε δυαδική με εφαρμογή κατάλληλου κατωφλίου. Η καταμέτρηση των λευκών εικονοστοιχείων της δυαδικής εικόνας στην περιοχή του οφθαλμού καθορίζει την κατάσταση του οφθαλμού (ανοικτός ή κλειστός). Τέλος, και μέσω του λογισμικού, υπολογίζονται οι σχετικές παράμετροι της κατάστασης του οφθαλμού όπως ο αριθμός ανοιγο-κλεισίματος οφθαλμού, η διάρκεια κάθε ανοιγο-κλεισίματος οφθαλμού και οι χρονικές αποστάσεις μεταξύ των προσδιορισμένων ανοιγο-κλεισιμάτων σε μια αλληλουχία συλλεγμένων εικόνων. / The scope of the thesis was the development and application of digital image processing techniques in order to detect human eye in video sequences and determine parameters related to the user’s state. Specifically, an integrated Eye-Tracking System was used in order to obtain the necessary image frames for further processing. The System consists of four modules, the CMOS camera module, the transfer module, the digitization module and the software module. The software module was based on the application of image processing techniques to detect the eye and calculate specific parameters. Two image processing techniques were developed and tested throughout this thesis. The first method was based on the calculations of the mean brightness of the upper and lower eye region for each frame of the video sequence. The temporal variation of this mean value provided useful information for the eye state (open/closed). The second method was based on a combination of various image processing techniques. The processing of each video frame comprises of four basic steps: a) registration of the image in relation to the first frame of the video sequence, b) filtering in order to detect the peaks and valleys of the image being processed, c) fusion of the filtered images, and d) binarization of the fused image by thresholding. The calculation of the number of white pixels in the eye region of the binary image indicates the state of the eye (open/closed) and allows the determination of the blink parameters related to the user’s state (vigilance/somnolence). The parameters being measured throughout this thesis were the number of eye blinks, the blink duration and the blink interval.

Η χρήση επαναληπτικών τεχνικών προσαρμοστικής ισοστάθμισης διαύλου αποτελεί μια σχετικά πρόσφατη και πολλά υποσχόμενη μέθοδο αντιμετώπισης του φαινομένου της διασυμβολικής παρεμβολής που εισάγεται από το κανάλι λόγω του φαινομένου της πολυδιόδευσης. Ο αλγόριθμος που έχει επικρατήσει στις περισσότερες προσαρμοστικές εφαρμογές είναι ο ελαχίστων μέσων τετραγώνων (LMS). Διακρίνεται για την απλότητά του, έχει όμως φτωχές ιδιότητες σύγκλισης. Η μέθοδος των αναδρομικών ελαχίστων τετραγώνων (RLS) είναι επίσης αρκετά διαδεδομένη και κατέχει υπερέχουσες ιδιότητες σύγκλισης. Ωστόσο παρουσιάζει μεγάλη υπολογιστική πολυπλοκότητα και αυξημένες απαιτήσεις σε μνήμη. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής εγίνε μια προσπάθεια ανάλυσης των τεχνικών που βασίζονται στη μέθοδο των συζυγών παραγώγων (Conjugate Gradient), χρησιμοποιούνται σε προβλήματα προσαρμοστικού φιλτραρίσματος και πιο ειδικά στο πρόβλημα της προσαρμοστικής ισοστάθμισης διαύλου. Οι τεχνικές αυτές επεξεργάζονται τα δεδομένα και ανά μπλοκ. Είναι ικανές να παρέχουν ιδιότητες σύγκλισης συγκρίσιμες με αυτές της (RLS) μεθόδου, εισάγοντας υπολογιστική πολυπλοκότητα ενδιάμεσων απαιτήσεων μεταξύ των μεθόδων LMS και RLS χωρίς να παρουσιάζουν προβλήματα αριθμητικής ευστάθειας. / The use of iteration methods for adaptive equalization has received considerable attention during the past several decades. The Least Mean Squares (LMS) method, which has found widespread use owing to its simplicity, has poor convergence properties. The Recursive Least Squares (RLS) method possess superior convergence properties, but it is computationally intensive and has high storage requirements for matrix manipulations. In this MSc thesis the technique of conjugate gradients is applied for the adaptive filtering problem. Conjugate gradient algorithms for adaptive filtering applications suitable for efficient implementation has been developed and has been applied for the design of an adaptive transversal equalizer. Low cost block algorithms using the preconditioned conjugate gradient method are also discussed. The algorithms are capable of providing convergence comparable to RLS schemes at a computational complexity between the LMS and the RLS methods and does not suffer from any known instability problems.