Low-power wireless technology is a part and parcel of our daily life, shaping the way in which we behave, interact, and more generally live. The ubiquity of cheap, tiny, battery-powered devices augmented with sensing, actuation, and wireless communication capabilities has given rise to a ``smart" society, where people, machines, and objects are seamlessly interconnected, among themselves and with the environment. Behind the scenes, low-power wireless protocols are what enables and rules all interactions, organising these embedded devices into wireless networks, and orchestrating their communications. The recent years have witnessed a persistent increase in the pervasiveness and impact of low-power wireless. After having spawned a wide spectrum of powerful applications in the consumer domain, low-power wireless solutions are extending their influence over the industrial context, where their adoption as part of feedback control loops is envisioned to revolutionise the production process, paving the way for the Fourth Industrial Revolution. However, as the scale and relevance of low-power wireless systems continue to grow, so do the challenges posed to the communication substrates, required to satisfy ever more strict requirements in terms of reliability, responsiveness, and energy consumption. Harmonising these conflicting demands is far beyond what is enabled by current network stacks and control architectures; the need to timely bridge this gap has spurred a new wave of interest in low-power wireless networking, and directly motivated our work. In this thesis, we take on this challenge with a main conceptual and technical tool: concurrent transmissions (CTX), a technique that, by enforcing nodes to transmit concurrently, has been shown to unlock unprecedented fast, reliable, and energy efficient multi-hop communications in low-power wireless networks, opening new opportunities for protocol design. We first direct our research endeavour towards industrial applications, focusing on the popular IEEE 802.15.4 narrowband PHY layer, and advance the state of the art along two different directions: interference resilience and aperiodic wireless control. We tackle radio-frequency noise by extensively analysing, for the first time, the dependability of CTX under different types, intensities, and distributions of reproducible interference patterns, and by devising techniques to push it further. Specifically, we concentrate on CRYSTAL, a recently proposed communication protocol that relies on CTX to rapidly and dependably collect aperiodic traffic. By integrating channel hopping and noise detection in the protocol operation, we provide a novel communication stack capable of supporting aperiodic transmissions with near-perfect reliability and a per-mille radio duty cycle despite harsh external interference. These results lay the ground towards the exploitation of CTX for aperiodic wireless control; we explore this research direction by co-designing the Wireless Control Bus (WCB), our second contribution. WCB is a clean-slate CTX-based communication stack tailored to event-triggered control (ETC), an aperiodic control strategy holding the capability to significantly improve the efficiency of wireless control systems, but whose real-world impact has been hampered by the lack of appropriate networking support. Operating in conjunction with ETC, WCB timely and dynamically adapts the network operation to the control demands, unlocking an order-of-magnitude reduction in energy costs w.r.t. traditional periodic approaches while retaining the same control performance, therefore unleashing and concretely demonstrating the true ETC potential for the first time. Nevertheless, low-power wireless communications are rapidly evolving, and new radios striking novel trade-offs are emerging. Among these, in the second part of the thesis we focus on ultra-wideband (UWB). By providing hitherto missing networking primitives for multi-hop dissemination and collection over UWB, we shed light on the communication potentialities opened up by the high data throughput, clock precision, and noise resilience offered by this technology. Specifically, as a third contribution, we demonstrate that CTX not only can be successfully exploited for multi-hop UWB communications but, once embodied in a full-fledged system, provide reliability and energy performance akin to narrowband. Furthermore, the higher data rate and clock resolution of UWB chips unlock up to 80% latency reduction w.r.t. narrowband CTX, along with orders-of-magnitude improvements in network-wide time synchronization. These results showcase how UWB CTX could significantly benefit a multitude of applications, notably including low-power wireless control. With WEAVER, our last contribution, we make an additional step towards this direction, by supporting the key functionality of data collection with an ultra-fast convergecast stack for UWB. Challenging the internal mechanics of CTX, WEAVER interleaves data and acknowledgements flows in a single, self-terminating network-wide flood, enabling the concurrent collection of different packets from multiple senders with unprecedented latency, reliability, and energy efficiency. Overall, this thesis pushes forward the applicability and performance of low-power wireless, by contributing techniques and protocols to enhance the dependability, timeliness, energy efficiency, and interference resilience of this technology. Our research is characterized by a strong experimental slant, where the design of the systems we propose meets the reality of testbed experiments and evaluation. Via our open-source implementations, researchers and practitioners can directly use, extend, and build upon our contributions, fostering future work and research on the topic.

Networked control over wireless networks is of growing importance in many application domains such as industrial control, building automation and transportation systems. Wide deployment however, requires systematic design tools to enable efficient resource usage while guaranteeing close-loop control performance. The control system may be greatly affected by the inherent imperfections and limitations of the wireless medium and malfunction of system components. In this thesis, we make five important contributions that address these issues.  In the first contribution, we consider event- and self-triggered control and investigate how to efficiently tune and execute these paradigms for appropriate control performance. Communication strategies for aperiodic control are devised, where we jointly address the selection of medium-access control and scheduling policies. Experimental results show that the best trade-off is obtained by a hybrid scheme, combining event- and self-triggered control together with contention-based and contention-free medium access control. The second contribution proposes an event-based method to select between fast and slow periodic sampling rates. The approach is based on linear quadratic control and the event condition is a quadratic function of the system state. Numerical and experimental results show that this hybrid controller is able to reduce the average sampling rate in comparison to a traditional periodic controller, while achieving the same closed-loop control performance. In the third contribution, we develop compensation methods for out-of-order communications and time-varying delays using a game-theoretic minimax control framework. We devise a linear temporal coding strategy where the sensor combines the current and previous measurements into a single packet to be transmitted. An experimental evaluation is performed in a multi-hop networked control scenario with a routing layer vulnerability exploited by a malicious application. The experimental and numerical results show the advantages of the proposed compensation schemes. The fourth contribution proposes a distributed reconfiguration method for sensor and actuator networks. We consider systems where sensors and actuators cooperate to recover from faults. Reconfiguration is performed to achieve model-matching, while minimizing the steady-state estimation error covariance and a linear quadratic control cost. The reconfiguration scheme is implemented in a room heating testbed, and experimental results demonstrate the method's ability to automatically reconfigure the faulty system in a distributed and fast manner. The final contribution is a co-simulator, which combines the control system simulator Simulink with the wireless network simulator COOJA. The co-simulator integrates physical plant dynamics with realistic wireless network models and the actual embedded software running on the networked devices. Hence, it allows for the validation of the complete wireless networked control system, including the study of the interactions between software and hardware components. / <p>QC 20140929</p>

Ce travail présente deux nouveaux systèmes simples d'analyse de la marche humaine grâce à une caméra de profondeur (Microsoft Kinect) placée devant un sujet marchant sur un tapis roulant conventionnel, capables de détecter une marche saine et celle déficiente. Le premier système repose sur le fait qu'une marche normale présente typiquement un signal de profondeur lisse au niveau de chaque pixel avec moins de hautes fréquences, ce qui permet d'estimer une carte indiquant l'emplacement et l'amplitude de l'énergie de haute fréquence (HFSE). Le second système analyse les parties du corps qui ont un motif de mouvement irrégulier, en termes de périodicité, lors de la marche. Nous supposons que la marche d'un sujet sain présente partout dans le corps, pendant les cycles de marche, un signal de profondeur avec un motif périodique sans bruit. Nous estimons, à partir de la séquence vidéo de chaque sujet, une carte montrant les zones d'irrégularités de la marche (également appelées énergie de bruit apériodique). La carte avec HFSE ou celle visualisant l'énergie de bruit apériodique peut être utilisée comme un bon indicateur d'une éventuelle pathologie, dans un outil de diagnostic précoce, rapide et fiable, ou permettre de fournir des informations sur la présence et l'étendue de la maladie ou des problèmes (orthopédiques, musculaires ou neurologiques) du patient. Même si les cartes obtenues sont informatives et très discriminantes pour une classification visuelle directe, même pour un non-spécialiste, les systèmes proposés permettent de détecter automatiquement les individus en bonne santé et ceux avec des problèmes locomoteurs. / This work presents two new and simple human gait analysis systems based on a depth camera (Microsoft Kinect) placed in front of a subject walking on a conventional treadmill, capable of detecting a healthy gait from an impaired one. The first system presented relies on the fact that a normal walk typically exhibits a smooth motion (depth) signal, at each pixel with less high-frequency spectral energy content than an abnormal walk. This permits to estimate a map for that subject, showing the location and the amplitude of the high-frequency spectral energy (HFSE). The second system analyses the patient's body parts that have an irregular movement pattern, in terms of periodicity, during walking. Herein we assume that the gait of a healthy subject exhibits anywhere in the human body, during the walking cycles, a depth signal with a periodic pattern without noise. From each subject’s video sequence, we estimate a saliency color map showing the areas of strong gait irregularities also called aperiodic noise energy. Either the HFSE or aperiodic noise energy shown in the map can be used as a good indicator of possible pathology in an early, fast and reliable diagnostic tool or to provide information about the presence and extent of disease or (orthopedic, muscular or neurological) patient's problems. Even if the maps obtained are informative and highly discriminant for a direct visual classification, even for a non-specialist, the proposed systems allow us to automatically detect maps representing healthy individuals and those representing individuals with locomotor problems.

L’analyse des signaux de parole permet de comprendre le fonctionnement de l’appareil vocal, mais aussi de décrire de nouveaux paramètres permettant de qualifier et quantifier la perception de la voix. Dans le cas de la parole expressive, l'intérêt se porte sur des variations importantes de qualité vocales et sur leurs liens avec l’expressivité et l’intention du sujet. Afin de décrire ces liens, il convient de pouvoir estimer les paramètres du modèle de production mais aussi de décomposer le signal vocal en chacune des parties qui contribuent à ce modèle. Le travail réalisé au cours de cette thèse s’axe donc autour de la segmentation et la décomposition des signaux vocaux et de l’estimation des paramètres du modèle de production vocale : Tout d’abord, la décomposition multi-échelles des signaux vocaux est abordée. En reprenant la méthode LoMA qui trace des lignes suivant les amplitudes maximum sur les réponses temporelles au banc de filtre en ondelettes, il est possible d’y détecter un certain nombre de caractéristiques du signal vocal : les instants de fermeture glottique, l’énergie associée à chaque cycle ainsi que sa distribution spectrale, le quotient ouvert du cycle glottique (par l’observation du retard de phase du premier harmonique). Cette méthode est ensuite testée sur des signaux synthétiques et réels. Puis, la décomposition harmonique + bruit des signaux vocaux est abordée. Une méthode existante (PAPD - Périodic/APériodic Décomposition) est adaptée aux variations de fréquence fondamentale par le biais de la variation dynamique de la taille de la fenêtre d’analyse et est appelée PAP-A. Cette nouvelle méthode est ensuite testée sur une base de signaux synthétiques. La sensibilité à la précision d’estimation de la fréquence fondamentale est notamment abordée. Les résultats montrent des décompositions de meilleures qualité pour PAP-A par rapport à PAPD. Ensuite, le problème de la déconvolution source/filtre est abordé. La séparation source/filtre par ZZT (zéros de la transformée en Z) est comparée aux méthodes usuelles à base de prédiction linéaire. La ZZT est utilisée pour estimer les paramètres du modèle de la source glottique via une méthode simple mais robuste qui permet une estimation conjointe de deux paramètres du débit glottique : le quotient ouvert et l'asymétrie. La méthode ainsi développée est testée et combinée à l’estimation du quotient ouvert par ondelettes. Finalement, ces trois méthodes d’estimations sont appliquées à un grand nombre de fichiers d’une base de données comportant différents styles d’élocution. Les résultats de cette analyse sont discutés afin de caractériser le lien entre style, valeur des paramètres de la production vocale et qualité vocale. On constate notamment l’émergence très nette de groupes de styles. / Analysis of speech signals is a good way of understanding how the voice is produced, but it is also important as a way of describing new parameters in order to define the perception of voice quality. This study focuses on expressive speech, where voice quality varies a lot and is explicitly linked to the expressivity or intention of the speaker. In order to define those links, one has to be able to estimate a high number of parameters of the speech production model, but also be able to decompose the speech signal into each parts that contributes to this model. The work presented in this thesis addresses the segmentation of speech signals, their decomposition and the estimation of the voice production model parameters. At first, multi-scale analysis of speech signals is studied. Using the LoMA method that traces lines across scales from one maximum to the other on the time domain response of a wavelet filter bank, it is possible to detect a number of features on voiced speech, namely : the glottal closing instants, the energy associated to each glottal cycle, the open quotient (by estimating the time delay of the first harmonic). This method is then tested on both synthetic and real speech. Secondly, harmonic plus noise decomposition of speech signals is studied. An existing method (PAPD standing for Periodic/Aperiodic Decomposition) is modified to dynamically adapt the analysis window length to the fundamental frequency (F0) of the signal. The new method is then tested on synthetic speech where the sensibility to the estimation error on F0 is also discussed. Decomposition on real speech, along with their audio files, are also discussed. Results shows that this new method provides better quality of decomposition. Thirdly, the problem of source/filter deconvolution is addressed. The ZZT (Zeros of the Z Transform) method is compared to classical methods based on linear prediction. ZZT is then used for the estimation of the glottal flow parameters with a simple but robust method based on the joint estimation of both the open quotient and the asymmetry. The later method is then combined to the estimation of the open quotient using wavelet analysis. Finally, the three estimation methods developed in this thesis are used to analyze a large number of files from a database presenting different speaking styles. Results are discussed in order to characterize the link between style, model parameters and voice quality. We especially notice the neat appearance of speaking style groups

Ce travail de cette thèse propose une conception et une réalisation d’un banc intégré de caractérisation temporelle des dispositifs RF non-linéaires conçu avec des récepteurs de type THA. Ce banc est une version miniaturisée, moins onéreuse et à performances comparables d’un banc similaire « éclaté » et développé au sein d’XLIM. Le banc intégré développé dans ce travail est entièrement étalonné. Il est versatile vis-à-vis des techniques de sous échantillonnage mis en œuvre pour mesurer des signaux RF sur des temps d’acquisition très différents (<50 µs ou < quelques ms). La technique CIS est utilisée pour l’acquisition périodiques de signaux RF périodiques de durée courtes. La technique DQD est utilisée pour l’acquisition périodiques ou apériodique de signaux RF périodiques ou apériodiques. Cet outil a été utilisé pour extraire, à partir des formes d’ondes temporelles mesurées à leurs accès, plusieurs paramètres caractéristiques (AM/AM- AM/PM, EVM) d’amplificateurs GaN de gamme 10 à 50 W soumis à des excitations simples ou à des signaux modulés. Ce manuscrit décrit aussi la mise en œuvre le développement, parallèlement au travail précédent, d’une plateforme de laboratoire de travaux pratiques à distance pour le projet européen TEMPUS EOLES. / This work proposes the design and the realization of a 4-channel integrated and calibrated time-domain characterization system for the characterization of non-linear microwave devices. This integrated measurement system uses THA based receivers. This is a miniaturized, less expensive and comparable version of a similar laboratory available tool developed within XLIM. The integrated instrument developed in this work is fully calibrated. It is versatile with respect to sub-sampling techniques used to measure RF signals over very different acquisition times (<50 µs or < few ms). The CIS technique is used for the periodic acquisition of periodic short duration RF signals. The DQD technique is used for the periodic or aperiodic acquisition of periodic or aperiodic RF signals. This tool was used to extract, from the measured time-domain waveforms at their ports, several characteristic parameters (AM/AM-AM/PM, EVM) of GaN amplifiers operating in the 10 to 50 W range and excited with simple or modulated signals. This manuscript also describes the implementation, and the development, performed along with the previous work, of a laboratory platform for remote practical works in the context of the European project TEMPUS EOLES.

Cette thèse est dédiée à l’analyse de stabilité des systèmes non linéaires sous échantillonnage variant avec le temps. Lors de l’implémentation numérique d’un contrôleur qui est calculé en temps-continu (approche par émulation), il est d'un grand intérêt de fournir des critères de stabilité et d’estimer la borne supérieure de l’intervalle d’échantillonnage qui garantit la stabilité du système en temps discret. Plusieurs travaux récents ont abordé ces questions dans le cas de modèles linéaires, mais la question a rarement été abordée dans une étude quantitative et formelle pour les systèmes non linéaires.Tout d'abord, le mémoire présente un aperçu sur les systèmes échantillonnés. Les défis et les principales méthodes pour l'analyse de stabilité sont présentés pour le cas des systèmes linéaires invariants dans le temps et celui des systèmes non linéaires. Ensuite, l’analyse de la stabilité locale des systèmes bilinéaires échantillonnés contrôlés par un retour d'état linéaire est considérée. Deux approches sont utilisées, la première basée sur la théorie des systèmes hybrides, la seconde basée sur l’analyse des ensembles invariants contractants. Cette dernière approche est inspirée par la théorie de la dissipativité. L’ensemble de ces résultats conduisent à des conditions suffisantes de stabilité exprimées sous forme LMI.Enfin, les conditions de stabilité basées sur la dissipativité sont étendues au cas des systèmes non linéaires affines en l'entrée. Les résultats sont ensuite repris dans le cas spécifique des systèmes non linéaires polynomiaux où les conditions de stabilité sont vérifiées numériquement en utilisant la décomposition en somme des carrés (SOS). / This PhD thesis is dedicated to the stability analyzis of nonlinear systems under sampled-data control, with arbitrarily time-varying sampling intervals. When a controller is designed in continuous-time, and then implemented digitally (emulation approach), it is of great interest to provide stability criteria, and to estimate the bound on the sampling intervals which guarantees the stability of the sampled-data system. Whereas several works deal with linear models, the issue has been rarely addressed in a formal quantitative study in the nonlinear case.First, an overview on sampled-data control is presented. Challenges and main methodologies for stability analysis are presented for both the linear time-invariant and the nonlinear cases.Then, local stability of bilinear sampled-data systems controlled by a linear state feedback is considered by using two approaches: the first one is based on hybrid systems theory; the second one is based on the analyzis of contractive invariant sets and is inspired by the dissipativity theory. Both approaches provide sufficient stability conditions in the form of LMI.Finally, the dissipativity–based stability conditions are extended for the more general case of nonlinear systems which are affine in the input, including the case of polynomial systems which leads to conditions in the form of sum of squares (SOS).

Cette thèse a pour objectif l’étude de trois problèmes : l’estimation de cartes de saillance de l’énergie du bruit apériodique de la marche humaine par la perception de profondeur pour la détection de pathologies, les modèles de détection d’objets saillants en général et les modèles légers en particulier par l’opposition de couleurs. Comme première contribution, nous proposons un système basé sur une caméra de profondeur et un tapis roulant, qui analyse les parties du corps du patient ayant un mouvement irrégulier, en termes de périodicité, pendant la marche. Nous supposons que la marche d'un sujet sain présente n'importe où dans son corps, pendant les cycles de marche, un signal de profondeur avec un motif périodique sans bruit. La présence de bruit et son importance peuvent être utilisées pour signaler la présence et l'étendue de pathologies chez le sujet. Notre système estime, à partir de chaque séquence vidéo, une carte couleur de saillance montrant les zones de fortes irrégularités de marche, en termes de périodicité, appelées énergie de bruit apériodique, de chaque sujet. Notre système permet aussi de détecter automatiquement les cartes des individus sains et ceux malades. Nous présentons ensuite deux approches pour la détection d’objets saillants. Bien qu’ayant fait l’objet de plusieurs travaux de recherche, la détection d'objets saillants reste un défi. La plupart des modèles traitent la couleur et la texture séparément et les considèrent donc implicitement comme des caractéristiques indépendantes, à tort. Comme deuxième contribution, nous proposons une nouvelle stratégie, à travers un modèle simple, presque sans paramètres internes, générant une carte de saillance robuste pour une image naturelle. Cette stratégie consiste à intégrer la couleur dans les motifs de texture pour caractériser une micro-texture colorée, ceci grâce au motif ternaire local (LTP) (descripteur de texture simple mais puissant) appliqué aux paires de couleurs. La dissemblance entre chaque paire de micro-textures colorées est calculée en tenant compte de la non-linéarité des micro-textures colorées et en préservant leurs distances, donnant une carte de saillance intermédiaire pour chaque espace de couleur. La carte de saillance finale est leur combinaison pour avoir des cartes robustes. Le développement des réseaux de neurones profonds a récemment permis des performances élevées. Cependant, il reste un défi de développer des modèles de même performance pour des appareils avec des ressources limitées. Comme troisième contribution, nous proposons une nouvelle approche pour un modèle léger de réseau neuronal profond de détection d'objets saillants, inspiré par les processus de double opposition du cortex visuel primaire, qui lient inextricablement la couleur et la forme dans la perception humaine des couleurs. Notre modèle proposé, CoSOV1net, est entraîné à partir de zéro, sans utiliser de ``backbones'' de classification d'images ou d'autres tâches. Les expériences sur les ensembles de données les plus utilisés et les plus complexes pour la détection d'objets saillants montrent que CoSOV1Net atteint des performances compétitives avec des modèles de l’état-de-l’art, tout en étant un modèle léger de détection d'objets saillants et pouvant être adapté aux environnements mobiles et aux appareils à ressources limitées. / The purpose of this thesis is to study three problems: the estimation of saliency maps of the aperiodic noise energy of human gait using depth perception for pathology detection, and to study models for salient objects detection in general and lightweight models in particular by color opposition. As our first contribution, we propose a system based on a depth camera and a treadmill, which analyzes the parts of the patient's body with irregular movement, in terms of periodicity, during walking. We assume that a healthy subject gait presents anywhere in his (her) body, during gait cycles, a depth signal with a periodic pattern without noise. The presence of noise and its importance can be used to point out presence and extent of the subject’s pathologies. Our system estimates, from each video sequence, a saliency map showing the areas of strong gait irregularities, in terms of periodicity, called aperiodic noise energy, of each subject. Our system also makes it possible to automatically detect the saliency map of healthy and sick subjects. We then present two approaches for salient objects detection. Although having been the subject of many research works, salient objects detection remains a challenge. Most models treat color and texture separately and therefore implicitly consider them as independent feature, erroneously. As a second contribution, we propose a new strategy through a simple model, almost without internal parameters, generating a robust saliency map for a natural image. This strategy consists in integrating color in texture patterns to characterize a colored micro-texture thanks to the local ternary pattern (LTP) (simple but powerful texture descriptor) applied to the color pairs. The dissimilarity between each colored micro-textures pair is computed considering non-linearity from colored micro-textures and preserving their distances. This gives an intermediate saliency map for each color space. The final saliency map is their combination to have robust saliency map. The development of deep neural networks has recently enabled high performance. However, it remains a challenge to develop models of the same performance for devices with limited resources. As a third contribution, we propose a new approach for a lightweight salient objects detection deep neural network model, inspired by the double opponent process in the primary visual cortex, which inextricably links color and shape in human color perception. Our proposed model, namely CoSOV1net, is trained from scratch, without using any image classification backbones or other tasks. Experiments on the most used and challenging datasets for salient objects detection show that CoSOV1Net achieves competitive performance with state-of-the-art models, yet it is a lightweight detection model and it is a salient objects detection that can be adapted to mobile environments and resource-constrained devices.

Menschliche Hirnsignale von der Kopfhaut bieten einen Einblick in die neuronalen Prozesse, denen Wahrnehmung, Denken und Verhalten zugrunde liegen. Rhythmen, die historisch den Grundstein für die Erforschung großflächiger Hirnsignale legten, sind ein häufiges Zeichen neuronaler Koordination, und damit von weitem Interesse für die kognitiven, systemischen und komputationalen Neurowissenschaften. Typischen Messungen von Rhythmizität fehlt es jedoch an Details, z. B. wann und wie lange Rhythmen auftreten. Darüber hinaus weisen neuronale Zeitreihen zahlreiche dynamische Muster auf, von denen nur einige rhythmisch erscheinen. Obwohl aperiodischen Beiträgen traditionell der Status irrelevanten „Rauschens“ zugeschrieben wird, attestieren neuere Erkenntnisse ihnen ebenfalls eine Signalrolle in Bezug auf latente Hirndynamik. Diese kumulative Dissertation fasst Projekte zusammen, die darauf abzielen, rhythmische und aperiodische Beiträge zum menschlichen Elektroenzephalogramm (EEG) methodisch zu dissoziieren, und ihre Relevanz für die flexible Wahrnehmung zu untersuchen. Projekt 1 ermittelt insbesondere die Notwendigkeit und Durchführbarkeit der Trennung rhythmischer von aperiodischer Aktivität in kontinuierlichen Signalen. Projekt 2 kehrt diese Perspektive um und prüft Multiscale Entropy als Index für die Unregelmäßigkeit von Zeitreihen. Diese Arbeit weist auf methodische Probleme in der klassischen Messung zeitlicher Unregelmäßigkeit hin, und schlägt Lösungen für zukünftige Anwendungen vor. Abschließend untersucht Projekt 3 die neurokognitive Relevanz rhythmischer und aperiodischer Zustände. Anhand eines parallelen multimodalen EEG-fMRT-Designs mit gleichzeitiger Pupillenmessung liefert dieses Projekt erste Hinweise dafür, dass erhöhte kognitive Anforderungen Hirnsignale von einem rhythmischen zu einem unregelmäßigen Regime verschieben und impliziert gleichzeitige Neuromodulation und thalamische Aktivierung in diesem Regimewechsel. / Non-invasive signals recorded from the human scalp provide a window on the neural dynamics that shape perception, cognition and action. Historically motivating the assessment of large-scale network dynamics, rhythms are a ubiquitous sign of neural coordination, and a major signal of interest in the cognitive, systems, and computational neurosciences. However, typical descriptions of rhythmicity lack detail, e.g., failing to indicate when and for how long rhythms occur. Moreover, neural times series exhibit a wealth of dynamic patterns, only some of which appear rhythmic. While aperiodic contributions are traditionally relegated to the status of irrelevant ‘noise’, they may be informative of latent processing regimes in their own right. This cumulative dissertation summarizes and discusses work that (a) aims to methodologically dissociate rhythmic and aperiodic contributions to human electroencephalogram (EEG) signals, and (b) probes their relevance for flexible cognition. Specifically, Project 1 highlights the necessity, feasibility and limitations of dissociating rhythmic from aperiodic activity at the single-trial level. Project 2 inverts this perspective, and examines the utility of multi-scale entropy as an index for the irregularity of brain dynamics, with a focus on the relation to rhythmic and aperiodic descriptions. By highlighting prior biases and proposing solutions, this work indicates future directions for measurements of temporal irregularity. Finally, Project 3 examines the neurocognitive relevance of rhythmic and aperiodic regimes with regard to the neurophysiological context in which they may be engaged. Using a parallel multi-modal EEG-fMRI design with concurrent pupillometry, this project provides initial evidence that elevated demands shift cortical dynamics from a rhythmic to an irregular regime; and implicates concurrent phasic neuromodulation and subcortical thalamic engagement in these regime shifts.