Extracting the Electric Network Frequency (ENF) fluctuations from an audio recording and comparing it to a reference database is a new technology intended to perform forensic digital audio authentication. The objective of this thesis is to implement and design a range of programs and algorithms for capturing and extracting ENF signals. The developed C-program combined with a probe can be used to build the reference database. Our implementation of the Short-Time Fourier Transform method is intended for the ENF extraction of longer signals while our novel proposed use of the Autoregressive parametric method and our implementation of the zero-crossing approach tackle the case of shorter recordings. A Graphical User Interface (GUI) was developed to facilitate the process of extracting the ENF fluctuations. The whole process is tested and evaluated for various scenarios ranging from long to short recordings.

Tracheal respiratory sounds analysis has been investigated as a non-invasive method to estimate respiratory flow and upper airway obstruction. However, the flow-sound relationship is highly variable among subjects which makes it challenging to estimate flow in general applications. Therefore, a robust model for acoustical flow estimation in a large group of individuals did not exist before. On the other hand, a major application of acoustical flow estimation is to detect flow limitations in patients with obstructive sleep apnea (OSA) during sleep. However, previously the flow--sound relationship was only investigated during wakefulness among healthy individuals. Therefore, it was necessary to examine the flow-sound relationship during sleep in OSA patients. This thesis takes the above challenges and offers innovative solutions. First, a modified linear flow-sound model was proposed to estimate respiratory flow from tracheal sounds. To remove the individual based calibration process, the statistical correlation between the model parameters and anthropometric features of 93 healthy volunteers was investigated. The results show that gender, height and smoking are the most significant factors that affect the model parameters. Hence, a general acoustical flow estimation model was proposed for people with similar height and gender. Second, flow-sound relationship during sleep and wakefulness was studied among 13 OSA patients. The results show that during sleep and wakefulness, flow-sound relationship follows a power law, but with different parameters. Therefore, for acoustical flow estimation during sleep, the model parameters should be extracted from sleep data to have small errors. The results confirm reliability of the acoustical flow estimation for investigating flow variations during both sleep and wakefulness. Finally, a new method for sleep apnea detection and monitoring was developed, which only requires recording the tracheal sounds and the blood's oxygen saturation level (SaO2) data. It automatically classifies the sound segments into breath, snore and noise. A weighted average of features extracted from sound segments and SaO2 signal was used to detect apnea and hypopnea events. The performance of the proposed approach was evaluated on the data of 66 patients. The results show high correlation (0.96,p < 0.0001) between the outcomes of our system and those of the polysomnography. Also, sensitivity and specificity of the proposed method in differentiating simple snorers from OSA patients were found to be more than 91%. These results are superior or comparable with the existing commercialized sleep apnea portable monitors.

The McTronX research group at the North-West University is currently researching self-sensing techniques for Active Magnetic Bearings (AMB). The research is part of an ongoing effort to expand the knowledge base on AMBs in the School of Electrical, Electronic and Computer Engineering to support industries that make use of the technology. The aim of this project is to develop an integrated co-processor based power electronic drive with the emphasis placed on the ability of the co-processor to execute AMB self-sensing algorithms. The two primary techniques for implementing self-sensing in AMBs are state estimation and modulation. This research focuses on hardware development to facilitate the implementation of the modulation method. Self-sensing algorithms require concurrent processing power and speed that are well suited to an architecture that combines a digital signal processor (DSP) and a field programmable gate array (FPGA). A comprehensive review of various power amplifier topologies shows that the pulse width modulation (PWM) switching amplifier is best suited for controlling the voltage and current required to drive the AMB coils. Combining DSPs and power electronics to form an integrated co-processor based power electronic drive requires detail attention to aspects of PCB design, including signal integrity and grounding. A conceptual design is conducted and forms part of the process of compiling a subsystem development specification for the integrated drive, in conjunction with the McTronX Research Group. Component selection criteria, trade-off studies and various circuit simulations serve as the basis for this essential phase of the project. The conceptual design and development specification determines the architecture, functionality and interfaces of the integrated drive. Conceptual designs for the power amplifier, digital controller, electronic supply and mechanical layout of the integrated drive is provided. A detail design is performed for the power amplifier, digital controller and electronic supply. Issues such as component selection, power supply requirements, thermal design, interfacing of the various circuit elements and PCB design are covered in detail. The output of the detail design is a complete set of circuit diagrams for the integrated controller. The integrated drive is interfaced with existing AMB hardware and facilitates the successful implementation of two self-sensing techniques. The hardware performance of the integrated coprocessor based power electronic drive is evaluated by means of measurements taken from this experimental self-sensing setup. The co-processor performance is evaluated in terms of resource usage and execution time and performs satisfactorily in this regard. The integrated co-processor based power electronic drive provided sufficient resources, processing speed and flexibility to accommodate a variety of self-sensing algorithms thus contributing to the research currently underway in the field of AMBs by the McTronX research group at the North-West University. / Thesis (M.Ing. (Electrical Engineering))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2009.

På bullriga arbetsplatser använder personal ofta hörselskydd med inbyggda högtalare för att lyssna på exempelvis musik i underhållningssyfte. Om användaren lyssnar på höga ljudnivåer under långa perioder kan bullerskador uppstå i dennes öron. Enligt lagstiftning måste nivån därför begränsas i förebyggande syfte. Bullernivån är ett genomsnitt av de ljudnivåer användaren exponerats för under en arbetsdag. Användaren måste vila öronen om gränsvärdet för bullernivån nås.Om man utnyttjar att det är ett genomsnitt kan användaren tillåtas lyssna på en hög ljudnivå under en begränsad tid för att sedan sänka den. Det går att bevara både säkerheten och lyssningsupplevelsen om en sänkning införs långsamt. Detta arbete beskriver hur en algoritm till en digital signalprocessor kan konstrueras för att reglera ljudnivån.Målsättningen var att algoritmen skulle skydda användarens hörsel utan att försämra lyssningsupplevelsen, och utan att förbruka mer energi än nödvändigt. I algoritmen ingick en prediktor som predikterar mängden buller användaren riskerar att utsättas för, om denne fortsätter lyssna på samma nivå.Långsamma sänkningar av ljudnivån kan då utföras i tid innan gränsvärdet nås. Det visade sig att algoritmen endast behövde ett fåtal samplingar per sekund för att skatta och reglera ljudnivån tillräckligt precist, vilket reducerade energiförbrukningen.Resultatet visar möjligheten att kombinera målen för säkerhet, lyssningsupplevelse och energieffektivitet i hörselskydd. Algoritmen implementerades inte på ett skarpt system.Den hade enbart tillgång till ljudsignalen användaren ämnade lyssna på i underhållningssyfte. / In noisy workplaces the staff are often using hearing protectors with built-in speakers for entertainment purposes. Prolonged exposure to loud sound levels can cause damage to the user’s ears. The legislation requires therefore a limiting mechanism for the speakers. The noise level is defined as the average of the sound levels the user has been exposed to during a working day. If the noise threshold is reached the user has to rest his ears. This definition can be exploited to allow the user to listen to a loud sound level for a limited time and then lowering it. If the sound level is lowered slowly, it is possible to preserve both safety and listening experience. This work describes how an algorithm can be designed for a digital signal processor with the purpose of controlling the sound level. The aim was to protect the user's hearing without spoiling the listening experience, and without consuming more power than necessary. The algorithm design included a predictor that predicts the amount of noise the user risk being subjected to, if he continues to listen at the same level. Slow reduction of the sound level can then be carried out in time before the noise threshold is reached. It turned out that the algorithm only needed a few samples per second to estimate and control the sound level sufficiently precisely, this reduced the power consumption. The results show that it is possible to combine the objectives for safety, listening experience and power consumption in hearing protectors. The algorithm was not implemented in a real system. The algorithm had only access to the audio signal which the user intended to listen to for entertainment purposes.

The efficient high-throughput VLSI implementation of Soft-output MIMO detectors for high-order constellations and large antenna configurations has been a major challenge in the literature. This thesis introduces a novel Soft-output K-Best scheme that improves BER performance and reduces the computational complexity significantly by using three major improvement ideas. It also presents an area and power efficient VLSI implementation of a 4x4 64-QAM Soft K-Best MIMO detector that attains the highest detection throughput of 2 Gbps and second lowest energy/bit reported in the literature, fulfilling the aggressive requirements of emerging 4G standards such as IEEE 802.16m and LTE-Advanced. A low-complexity and highly parallel algorithm for QR Decomposition, an essential channel pre-processing task, is also developed that uses 2D, Householder 3D and 4D Givens Rotations. Test results for the QRD chip, fabricated in 0.13um CMOS, show that it attains the lowest reported latency of 144ns and highest QR Processing Efficiency.

The efficient high-throughput VLSI implementation of Soft-output MIMO detectors for high-order constellations and large antenna configurations has been a major challenge in the literature. This thesis introduces a novel Soft-output K-Best scheme that improves BER performance and reduces the computational complexity significantly by using three major improvement ideas. It also presents an area and power efficient VLSI implementation of a 4x4 64-QAM Soft K-Best MIMO detector that attains the highest detection throughput of 2 Gbps and second lowest energy/bit reported in the literature, fulfilling the aggressive requirements of emerging 4G standards such as IEEE 802.16m and LTE-Advanced. A low-complexity and highly parallel algorithm for QR Decomposition, an essential channel pre-processing task, is also developed that uses 2D, Householder 3D and 4D Givens Rotations. Test results for the QRD chip, fabricated in 0.13um CMOS, show that it attains the lowest reported latency of 144ns and highest QR Processing Efficiency.

Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία μελετάται η δομή και τα χαρακτηριστικά ενός νέου μετατροπέα ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (Digital to Analog Converter DAC). Η δομή του DAC βασίζεται στη γνωστή δομή του συμβατικού R2R Ladder και θα μπορούσε να θεωρηθεί σαν μία δισδιάστατη ανάπτυξη του Ladder. Αυτό σημαίνει ότι η νέα μορφή του DAC χρησιμοποιεί σαφώς περισσότερες αντιστάσεις από τον συμβατικό Ladder, όμως δίνεται η δυνατότητα της ρύθμισης του ρεύματος εξόδου του κάθε κλάδου. Αυτό έχει ως συνέπεια τη δραματική βελτίωση της γραμμικότητας του DAC. Επιπλέον στην Εργασία αυτή μελετήθηκαν με χρήση της θεωρίας των πιθανοτήτων τα χαρακτηριστικά του απλού Ladder και χρησιμοποιήθηκαν για την εξαγωγή συμπερασμάτων που αφορούν στη γραμμικότητα της νέας δομής Ladder. Τα θεωρητικά αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν με εξομοιώσεις. Τέλος, μία σχεδίαση σε φυσικό επίπεδο με την χρήση μόνο MOSFETS και CMOS τεχνολογίας (χωρίς την χρήση αντιστάσεων) σχεδιάσθηκε και εξομοιώθηκε στο Cadence ένας Ladder της νέας δομής. / This Diploma Thesis studies on a new Digital to Analog Converter (DAC) structure developed in the Applied Electronics Laboratory of the University of Patras. The new DAC structure is based on the simple R2R ladder combining several of them in a 2-dimentional grid. As result a high linearity DAC is derived after a simple calibration procedure. The Diploma Thesis presents results on probability of the simple R2R Ladder, employs these results so as to forecast the linearity of the 2-dimentional Ladder, whereas confirms theoretical results with simulations. Finally, a DAC based on the 2-dimentional topology has been designed and simulated using Cadence, in the framework of this Diploma Thesis.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή ενός συστήματος που να μπορεί να ξεχωρίζει τα οχήματα από άλλα αντικείμενα με τη χρήση κυματιδίου Haar και φίλτρου Gabor (εξαγωγή χαρακτηριστικών) και SVM, RBF για ταξινόμηση. / The aim of this thesis is the construction of a system that will be able to distiguish vehicles from other objects using Haar and Gabor filter (export characteristic) and SVM, RBF for classification.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η δημιουργία συστήματος που θα διευρύνει τις δυνατότητες των εξ’ αποστάσεως εργαστηρίων προσανατολισμένα σε θέματα ψηφιακής επεξεργασίας σήματος και εικόνας. Η υλοποίηση πραγματοποιήθηκε με το LabVIEW v 8.6 και ονομάστηκε R-DSP Server. Αξιοποιώντας τις δυνατότητες που προσφέρει ο R-DSP Server οι χρήστες μπορούν να αναπτύξουν τα δικά τους γραφικά περιβάλλοντα (Graphical User Interfaces -GUIs) τα οποία ονομάζονται προσαρμοζόμενα γραφικά περιβάλλοντα (Customized GUIs,) για τον απομακρυσμένο έλεγχο DSP εφαρμογών. Για την εύκολη και γρήγορη ανάπτυξη τέτοιων γραφικών εφαρμογών στο περιβάλλων του LabVIEW, αναπτύχθηκε μια σειρά εργαλείων που ονομάστηκε R-DSP LabVIEW Toolkit. Η εργασία ολοκληρώνεται με την παρουσίαση της λειτουργιάς του R-DSP Server αλλά και της χρήσης του R-DSP Toolkit. / The purpose of this work is to present an approach which could expand the features of Remote Laboratories focused on embedded Digital Signal Processing (DSP) systems. The proposed approach is based on a system which is designed and developed with LabVIEW and is called R-DSP Server. Exploiting this system, users are able to develop their own Graphical User Interfaces (GUIs), named Customized GUIs, for the remote control and validation of real-time DSP applications. These GUIs are tailored to the needs of each DSP application and can be implemented in any programming language. The rapid design of Customized GUIs using LabVIEW for the communication with the R-DSP Server is achieved using an implemented set of functions, called R-DSP LabVIEW Toolkit.

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η τροφοδοσία ενός μεταβαλλόμενου RL φορτίου από μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια, επιδιώκοντας η τάση σε αυτό να είναι σταθερή κατά μέτρο και συχνότητα. Η επίτευξη του στόχου προϋποθέτει την χρήση μιας σειράς διατάξεων, προκειμένου να δημιουργήσουμε ένα πειραματικό σύστημα πάνω στο οποίο θα αναπτύξουμε την εφαρμογή μας. Έτσι η πειραματική μας διάταξη εκτός από την πηγή (φωτοβολταϊκή γεννήτρια) και το φορτίο αποτελείται και απο έναν τριφασικό αντιστροφέα πηγής τάσης, έναν τριφασικό μετασχηματιστή, ένα βαθυπερατό φίλτρο LC, μια συσκευή βηματικής μεταβολής του φορτίου και έναν μικροεπεξεργαστή με την βοήθεια του οποίου θα υλοποιήσουμε τους απαραίτητους ελέγχους. Το πρώτο επίπεδο ελέγχου αφορά τον τριφασικό αντιστροφέα και συγκεκριμένα την παλμοδότηση την διακοπτικών του στοιχείων. Με την βοήθεια του μικροεπεξεργαστή πετυχαίνουμε την υλοποίηση του κυκλώματος παλμοδότησης εφαρμόζοντας την μέθοδο της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM). Σε δεύτερο επίπεδο ελέγχου υλοποιούμε έναν PI ελεγκτή ο οποίος σε συνεργασία με το κύκλωμα παλμοδότησης εξασφαλίζει την σταθεροποίηση της τάσης στο φορτίο, συνεπώς και την αδιάλειπτη τροφοδοσία του. Πραγματοποιώντας βηματικές αλλαγές στο φορτίο, καταγράφουμε τις μεταβολές στα μεγέθη εκείνα που επιβεβαιώνουν την λειτουργία και αποδοτικότητα του συνολικού συστήματος ελέγχου. Ιδιαίτερη αξία έχει ο τρόπος με τον οποίο παράγουμε τον κώδικα που υλοποιεί, μέσω του μικροεπεξεργαστή, το κύκλωμα ελέγχου. Η διαδικασία περιλαμβάνει αρχικά την μοντελοποίηση του κυκλώματος στο Simulink και στην συνέχεια την χρήση των κατάλληλων εργαλείων, οπότε μέσω μιας αυτόματης διαδικασίας παράγεται ο επιθυμητός κώδικας. Η διπλωματική εργασία διαρθρώνεται με τον εξής τρόπο: Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια σύντομη αναφορά στον σημαντικό ρόλο που καλούνται να διαδραματίσουν οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, στις σημερινές και μελλοντικές ανάγκες του τομέα της ηλεκτρικής ενέργειας. Ακολουθεί μια συνοπτική παρουσίαση της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας και του τρόπου αξιοποίησής της. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται η πλήρης ανάπτυξη της μεθόδου ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών για την αξιοποίησή της σε μετατροπέα DC/AC (αντιστροφέα), ενός σκέλους και τριφασικού. Παρουσιάζονται αναλυτικά τα χαρακτηριστικά της μεθόδου και ο τρόπος εφαρμογής της σε ψηφιακά συστήματα. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται η περιγραφή και ανάλυση της πειραματικής μας διάταξης. Διαχωρίζοντας το συνολικό σύστημα στα επιμέρους κυκλώματα ισχύος και ελέγχου, περιγράφουμε την κάθε διάταξη ξεχωριστά, αναλύοντας το αντίστοιχο θεωρητικό υπόβαθρο. Ιδιαίτερα, όσον αφορά το κύκλωμα ελέγχου, αναπτύσσουμε συνοπτικά την θεωρία του PI ελέγχου, στον βαθμό που κρίνεται απαραίτητο για την εφαρμογή μας. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται το σύστημα eZdspTM F28335. Το σύστημα αυτό περιλαμβάνει τον επεξεργαστή ψηφιακού σήματος F28335, με την βοήθεια του οποίου υλοποιούμε το κύκλωμα ελέγχου. Γίνεται αναφορά στις δυνατότητες του συστήματος και περιγράφονται τα περιφερειακά του που χρησιμοποιούνται στην παρούσα εφαρμογή. Στο κεφάλαιο 5 γίνεται η ανάλυση του μοντέλου Simulink που υλοποιεί το κύκλωμα ελέγχου. Αρχικά, παρουσιάζεται συνοπτικά η διαδικασία ταχείας προτυποποίησης και ο τρόπος με τον οποίο επιτυγχάνουμε την αυτόματη παραγωγή κώδικα μέσω των μοντέλων του Simulink. Στη συνέχεια περιγράφουμε αναλυτικά τα μπλόκ που συνιστούν το μοντέλο της εφαρμογής μας. Στο κεφάλαιο 6 γίνεται η παρουσίαση των πειραματικών αποτελεσμάτων που προέκυψαν κατά την διάρκεια των μετρήσεων. Συγκεκριμένα παρατίθενται μετρήσεις και γραφήματα που έχουν στόχο να αναδείξουν την λειτουργία του ελέγχου και τον τρόπο με τον οποίο επιδρά στο σύστημά μας. Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα τελικά συμπεράσματα και οι πιθανές μελλοντικές προοπτικές της εφαρμογής. / The objective of this thesis is the power supply of a variable RL load, by the use of a photovoltaic generator as our energy source, aiming to a load voltage with constant rms value and frequency. To achieve this objective, involves the use of several devices, in order to create an experimental system on which we will develop our application. Thus, our total system, other than the source (photovoltaic generator) and the load, is composed of a three-phase voltage source inverter (VSI), a three-phase transformer, a low pass LC filter, a device that electronically chooses the value of the load and a microprocessor which implements the necessary control system. The first part of the control system refers to the generation of the signals that control the switching elements of the three-phase voltage source inverter. With the help of the microprocessor we achieve the implementation of the appropriate pulse generator circuit using a method called sinusoidal pulse width modulation (SPWM). In the second part of the control system we implement a PI controller which, in collaboration with the above circuit, ensures the stabilization of the voltage on the load, therefore the uninterrupted power supply. Making step load changes, we record the variation of those parameters that confirm the operation and efficiency of the entire control system. Of great importance is the way we produce the code that implements the control circuit, when executed by the microprocessor. The procedure begins with the modeling of the circuit in Simulink, followed by the use of the appropriate development tools that result in an automatic process of production of the desired code. The thesis is organized in the following way: In Chapter 1 we give a brief reference to the importance of the renewable energy sources, regarding the present and future needs of the electricity sector. We continue with a summary of the photovoltaic technology and it’s means of exploitation. In Chapter 2 we make a thorough description of the method called sinusoidal pulse width modulation and we discuss it’s use for the DC/AC converter (inverter), both single-leg and three-phase. We give a full presentation on the characteristics of the method and the manner to be implemented in digital systems. In Chapter 3 we make the description and analysis of our experimental system. By separating the overall system to two individual parts, the power circuit and the control circuit, we describe each device separately and analyze the relevant theory. In particular, with respect to the control circuit, we summarize the theory of PI controller, to the necessary extent for our application. In Chapter 4 we introduce the system eZdspTM F28335. This system includes the digital signal processor F28335, which undertakes the implementation of the control circuit. Reference is made to the overall capabilities of the system and especially to the peripherals used in this application. In Chapter 5 we give the analysis of the Simulink model which implements the control circuit. Initially, we outline the procedure of rapid prototyping and describe the way in which we achieve the automatic production of our executable code through the Simulink models. Then we describe in detail the blocks that form the model of our application. In Chapter 6 we present the results obtained during the experimental phase. In particular there are listed measurements and graphs that aim to highlight the function of the control system and the manner in which it influences our system. In Chapter 7 we present our final conclusions and possible future prospects of the application.