This thesis deals with the development of tools and analysis to characterize and predict artificial recharge and radial convergent solute transport processes in heterogeneous media. The goal is to provide new insights to understand how heterogeneity, which is the main natural source of uncertainty in decision-making processes related with groundwater applications, can be controlled and its effects predicted for practical purposes in these topics. For hydrogeological applications, accurate modeling of phenomena is needed, but it is uncertain. Uncertainty is derived from the spatio-temporal random distribution of hydrodynamic (physical, chemical and biological) variables affecting groundwater processes, which is translated into random distribution of modeling parameters and equations. Such randomness is of two types: epistemic, when it can be reduced increasing the sample frequency of an experiment; aleatory, when it cannot be reduced when more information is analyzed. Sometimes hydrodynamic processes occur at so small scales that they become impossible to characterize with traditional methods, and from a practical perspective, this is analogous to deal with aleatoric model parameters. However, if some constitutive relationship (either empirically, theoretically or physically based) can be built between processes across different scales, then small-scale processes can be reproduced by equivalent large-scale model parameters. Uncertainty becomes amenable to be treated as epistemic randomness, and large-scale characterization techniques can be used to improve the description, interpretation or prediction of these processes. This thesis deals with these topics. The manuscript is composed by two main parts (the first on artificial recharge and the second on solute transport), each of them divided into three chapters. In chapter 1 of each part, a tool is developed to obtain quantitative information to model a selected variable at coarse grid resolutions. In the case of artificial recharge, satellite images are used to model the spatial variability of the infiltration capacity on top soils with a metric-scale detail. In the case of solute transport, a new method to estimate density from particle distribution is shown. In chapters 2, it is explored what processes occurring at the fine scales can affect the interpretation of artificial recharge and solute transport processes at larger scales. In the first part, a combined method that joins satellite images and field data along with a simple clogging model is used to display the equally-possible spatio-temporal mapping of the infiltration capacity of topsoil during artificial pond flooding activities. In the second part, numerical three-dimensional models are used to simulate transport in heterogeneous media under convergent radial flow to a well at fine scale. It is shown that an appropriate model framework can reproduce similar observations on contaminant temporal distribution at controlling section similar to those obtained in the field tracer tests. It is also provided a physical explanation to describe the so-called anomalous late-time behavior on breakthrough curves which is sometimes observed in the reality at larger scales. In the chapters 3, models are used to define the uncertainty around operating parameters in the optic of prediction and management on artificial recharge and solute transport. In the first case, a probability framework is built to define the engineering risk of management of artificial recharge ponds due to random variability of the initial distribution of infiltration, which controls several important clogging factors based on theoretical approaches. In the case of solute transport, it is discussed how equivalent parameters based on mass-transfer models can be related with the geometrical distribution of hydraulic parameters in anisotropic formation, when convergent flow tracer tests are used.

La enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) es la enfermedad crónica de los pulmones más común representando una causa importante de incapacidad y de muerte. La actividad respiratoria está definida en gran medida por la acción de músculos respiratorios. En esta tesis se realiza el análisis de la actividad del músculo esternocleidomastoideo (ECM) considerado el músculo respiratorio accesorio más importante en la función respiratoria. En sujetos sanos está activo sólo con altos niveles de ventilación. Sin embargo, en pacientes con EPOC su contribución es más importante incluso a bajos niveles respiratorios. Se selecciona por su accesibilidad permitiendo utilizar técnicas no invasivas como los registros de señales electromiográficas (EMG) y vibromiográficas (VMG) que están relacionadas con la actividad eléctrica y mecánica del músculo, respectivamente.En el primer capítulo se realiza una breve introducción sobre tres temas básicos: la actividad respiratoria con los músculos que la activan, la EPOC y las señales biomédicas de interés correspondientes a la presión inspiratoria y las señales miográficas: EMG y VMG.En el siguiente capítulo se define los objetivos y el método para la evaluación de la actividad muscular respiratoria propuesto en la presente tesis: análisis del músculo ECM durante un protocolo ventilatorio compuesto de cinco pruebas para estudiar la función muscular en diferentes niveles de ventilación hasta alcanzar la fatiga. Para el análisis se propone diversos parámetros relacionados con la actividad y fatiga muscular: temporales, frecuenciales y calculados a partir de la función de correlación cruzada entre valores cuadráticos de las señales miográficas.En el capítulo tercero se realiza el diseño del sistema completo de instrumentación para la adquisición de las diferentes señales biomédicas en el Hospital. Se estudia y configura las diferentes etapas de la cadena de adquisición: transductores, amplificadores, y tarjeta A/D para el almacenamiento de los datos en un ordenador personal. Se analiza detalladamente las interferencias que afectan en la adquisición y se describe las medidas adoptadas para reducirlas. Por último se detecta la zona de inervación del músculo ECM que determina la posición de los electrodos en el registro. Se realiza un procesado previo a las señales biomédicas para su acondicionamiento que se explica en el capítulo cuarto. Principalmente, se describe un algoritmo implementado para la detección automática de períodos inspiratorios y espiratorios mediante la señal de presión. Esto permite el análisis de la actividad del músculo ciclo a ciclo respiratorio.En el quinto capítulo se reduce la actividad cardíaca interferente en las señales miográficas mediante diferentes técnicas de filtrado: en el dominio analógico mediante un circuito no lineal por 'slew rate' que reduce los complejos QRS de la señal ECG y de forma digital mediante procesado diferido. Se propone dos métodos de filtrado digital que son analizados en simulación mediante señales artificiales con diferente SNR y en señales miográficas reales registradas en la población en estudio: filtrado adaptativo mediante el algoritmo LMS y descomposición en valores singulares. Se determina un filtro adaptativo con unas características específicas de ganancia, retardo existente entre señales primaria y de referencia y vector de pesos inicial. Para un correcto filtrado se presenta un algoritmo de detección automática de complejos QRS en la señal EMG. Se analiza la influencia de la SNR en los parámetros de análisis, así como la de la carga en las pruebas de esfuerzo incremental. Finalmente se propone los filtros más adecuados para cada señal dependiendo del esfuerzo muscular. En el capítulo sexto se estudia en detalle las variaciones en sesgo, resolución y varianza de diferentes estimadores espectrales univariantes no paramétricos: periodograma de Welch y correlograma; y paramétricos: modelos AR, MA y ARMA, con cambios en algunas variables de estimación y ventanas utilizadas. Se analiza la influencia del estimador y de la variable de estimación en los parámetros frecuenciales y en la variabilidad entre ciclos respiratorios. A partir de este estudio se propone los mejores estimadores con sus variables correspondientes para la obtención de los parámetros relacionados con la actividad y fatiga muscular. Se presenta resultados en la población de pacientes con EPOC donde variaciones de un parámetro temporal y frecuenciales al principio y final de las pruebas respiratorias están relacionadas con el nivel de severidad pulmonar obstructiva del enfermo.En el capítulo siete se presenta una metodología de análisis basada en la unión de tres técnicas estadísticas multivariables y se aplica en el análisis de la actividad muscular respiratoria. En primer lugar se realiza un análisis multivariable de la varianza para el diseño de medidas repetidas mediante la definición de factores o efectos: ciclo, tramo y grupo. Se selecciona las variables de interés para separar grupos mediante diferentes contrastes. A continuación se propone un métodos de análisis factorial para obtener componentes principales con una elevada interpretación fisiológica. Por último se obtiene funciones del análisis discriminante que separa poblaciones de sujetos sanos y pacientes con EPOC con diferentes niveles de obstrucción respiratoria. Se evalúa la importancia de las pruebas y los instantes o efectos de las mismas (adaptación al esfuerzo, fatiga muscular, etc) que mejor separa los grupos en estudio. La metodología aportada permite analizar las estrategias de funcionamiento, actividad y fatiga del músculo respiratorio. Los resultados y conclusiones obtenidos detectan una diferente función muscular entre los sujetos sanos y pacientes con EPOC. Por tanto, el análisis de señales miográficas de músculos respiratorios puede convertirse en una herramienta no invasiva para estudiar patologías respiratorias.

El análisis cuantitativo y la interpretación de las señales electroencefalográficas (EEG) permiten la comprensión de la función cerebral, ayudando al diagnóstico de estados disfuncionales. Sin embargo, es conocido que cierta actividad de origen no cortical contribuye también en los registros de EEG, siendo el caso más crítico y relevante el producido por la contaminación debida a la actividad ocular. El método considerado gold standard en neuropsicofarmacología para la reducción de artefactos oculares en señales EEG está basado en la regresión lineal. Sin embargo, esta técnica no sólo reduce la contaminación ocular sino que también elimina cierta actividad cerebral. Por tanto, el desarrollo de nuevos métodos automáticos para la reducción de la actividad ocular presente en las señales EEG, que superen las limitaciones presentadas por los métodos actualmente más utilizados, constituye un paso definitivo en los ensayos clínicos dedicados a evaluar los efectos de un fármaco en el sistema nervioso central. El objetivo principal de la tesis es el diseño y evaluación objetiva de métodos automáticos de filtrado de artefactos oculares en señales EEG espontáneas para la mejora cuantitativa en los estudios de fármaco-EEG. Para ello, se estudian las diferentes situaciones de contaminación ocular en las señales EEG y su problemática bajo la situación de vigilia, mediante bases de datos de registros adquiridos en voluntarios sanos tras la administración de fármacos. Se describen los métodos clásicos de filtrado ocular y la implementación del nuevo método de filtrado automático basado en BSS. La situación más propicia para una evaluación objetiva de los diferentes métodos de filtrado ocular precisa la utilización de señales electrooculográficas (EOG) y EEG simuladas, donde las actividades ocular y cerebral puedan ser conocidas de antemano. Se generan señales simuladas a partir de la mezcla de las actividades ocular y cerebral (extraídas de señales EOG y EEG reales) mediante dos estrategias: mezclas instantáneas y mezclas convolutivas. Se realiza un análisis comparativo de la eficacia de los métodos de filtrado ocular en las señales simuladas. A continuación, se determina el impacto del filtrado ocular en la evaluación de los efectos inducidos por un fármaco en el cerebro, comparando el método propuesto basado en BSS con el procedimiento considerado gold standard.A partir de los resultados obtenidos se puede concluir que el método para la reducción de artefactos oculares basado en BSS propuesto en esta tesis doctoral muestra un mejor comportamiento que el método gold standard tanto en señales simuladas [Romero et al, 2008] [Romero et al, 2009a] como en señales reales [Romero et al, 2009b].Las aportaciones más relevantes de esta tesis son: 1) La implementación de un nuevo método completamente automático para el filtrado de la contaminación ocular en señales EEG. Este método está basado en los algoritmos de BSS AMUSE o SOBI indistintamente, se aplica a segmentos de corta duración, e incluye la detección automática de las componentes fuente asociadas a la actividad ocular. 2) La estimación de modelos MISO que reflejan la propagación de las actividades ocular y cerebral a lo largo del cuero cabelludo. Dichos modelos han permitido aportar información para aclarar la discusión acerca de la dependencia o independencia de la frecuencia en la propagación ocular. Estos resultados afirman que ambas propagaciones de la actividad ocular y cerebral pueden considerarse independientes de la frecuencia, y por tanto totalmente de acuerdo con lo esperado a partir del conocimiento biofísico existente. 3) La realización de una herramienta informática para el procesado de señales EEG en estudios de fármaco-EEG. Esta interfaz gráfica interactiva ya ha empezado a ser utilizada en diversos estudios de evaluación del efecto de un fármaco en el sistema nervioso central [Alonso et al., 2010], por el CIM del Hospital de la Santa Creu i Sant Pau de Barcelona. / Quantitative analysis and interpretation of electroencefalographic (EEG) signals are useful methods to study functional states of the brain, to evaluate drug effects and to diagnose psychiatric and neurological disorders. However, it is known that non-cortical interferences contribute to EEG recordings. Ocular artifacts are the most relevant and critical interference. The gold standard method in neuropsychopharmacology for reducing ocular contamination is based on linear regression. Nevertheless, this technique not only reduces the ocular contamination, but also cancels relevant cerebral information contained in the electrooculographic (EOG) recordings. In this way, the development of new automatic methods for reducing ocular artifacts in EEG signals, that solve the drawbacks shown by most common used techniques, is a crucial step in the clinical trials that assess the effects of a drug in the central nervous system. The aim of this PhD thesis is the design and the objective evaluation of automatic ocular filtering methods in spontaneous EEG signals in order to quantitatively improve the results and conclusions obtained in pharmaco-EEG studies. Thus, different ocular contamination situations in EEG signals are evaluated in order to understand this problematic situation during wakefulness by means of databases acquired from healthy volunteers after drug administration. The classical ocular filtering methods and the implementation of a new automatic procedure based on blind source separation (BSS) are described. The best situation for an objective evaluation of the different ocular reduction methods needs the use of simulated EOG and EEG signals, where ocular and cerebral activities can be known a priori. Simulated signals are generated from a linear mixture between ocular and cerebral activities (extracted from real EOG and EEG signals) by means of two strategies: instantaneous and convolutive mixing models. A comparative analysis of the effectiveness of the filtering methods on the simulated signals is performed. Next, the influence of ocular filtering procedures in the conclusions drawn from a pharmaco-EEG trial is assessed, comparing the method proposed in this PhD thesis based on BSS with the gold standard procedure.From the results obtained in time and frequency domain, it can be concluded that the method for reducing ocular artifacts based on BSS, developed in this PhD thesis, shows a better performance than the gold standard procedure in simulated signals [Romero et al, 2008] [Romero et al, 2009a] as much as in real signals [Romero et al, 2009b].The most relevant contributions of this thesis are: 1) The implementation of a new completely automatic method for reducing ocular contamination in EEG signals. This procedure is based on the BSS algorithms, AMUSE or SOBI indistinctly, it is applied in short duration segments, and it includes the automatic detection of the source components related to ocular activity. 2) The estimation of MISO models corresponding to the propagation of ocular and cerebral activities across the scalp. These models have contributed with interesting information about the discussion if ocular propagation is frequency dependent or independent. These results conclude that ocular and cerebral propagation can be considered practically frequency independent which is consistent to what would be expected from the biophysics knowledge. 3) The development of a computer tool for EEG signals processing in pharmaco-EEG studies. The Drug Research Center (CIM) of the Hospital de la Santa Creu i Sant Pau of Barcelona has started to use this interactive graphical user interface for evaluating the effect of a drug on the brain in several pharmaco-EEG studies [Alonso et al, 2010].

This thesis presents the development and assessment of imaging techniques in the millimeterwave (mmW) and terahertz frequency bands. In the first part of the thesis, the development of a 94 GHz passive screener based on a total-power radiometer (TPR) with mechanical beamscanning is presented. Several images have been acquired with the TPR screener demonstrator, either in indoor and outdoor environments, serving as a testbed to acquire the know-how required to perform the research presented in the following parts of the thesis. In the second part of the thesis, a theoretical research on the performance of near-field passive screeners is described. This part stands out the tradeoff between spatial and radiometric resolutions taking into account the image distortion produced by placing the scenario in the near-field range of the radiometer array. In addition, the impact of the decorrelation effect in the image has been also studied simulating the reconstruction technique of a synthetic aperture radiometer. Guidelines to choose the proper radiometer depending on the application, the scenario, the acquisition speed and the tolerated image distortion are given in this part. In the third part of the thesis, the development of a correlation technique with optical processing applicable to millimeter-wave interferometric radiometers is described. The technique is capable of correlating wide-bandwidth signals in the optical domain with no loss of radiometric sensitivity. The theoretical development of the method as well as measurements validating the suitability to correlate radiometric signals are presented in this part. In the final part of the thesis, the frequency band of the imaging problem is increased to frequencies beyond 100 GHz, covering the THz band. In this case the research is centered in tomographic techniques that include spectral information of the samples in the reconstructed images. The tomographic algorithm can provide detection and identification of chemical compounds that present a certain spectral footprint in the THz frequency band.

The explosive growth of wireless communications has brought new requirements in terms of compactness, mobility and multi-functionality that pushes antenna research. In this context, recon gurable antennas have gained a lot of attention due to their ability to adjust dynamically their frequency and radiation properties, providing multiple functionalities and being able to adapt themselves to a changing environment. A pixel antenna is a particular type of recon gurable antenna composed of a grid of metallic patches interconnected by RF-switches which can dynamically reshape its active surface. This capability provides pixel antennas with a recon guration level much higher than in other recon gurable architectures. Despite the outstanding recon guration capabilities of pixel antennas, there are important practical issues related to the performance-complexity balance that must be addressed before they can be implemented in commercial systems. This doctoral work focuses on the minimization of the pixel antenna complexity while maximizing its recon guration capabilities, contributing to the development of pixel antennas from a conceptual structure towards a practical recon gurable antenna architecture. First, the conceptualization of novel pixel geometries is addressed. It is shown that antenna complexity can be signi cantly reduced by using multiple-sized pixels. This multi-size technique allows to design pixel antennas with a number of switches one order of magnitude lower than in common pixel structures, while preserving high multiparameter recon gurability. A new conceptual architecture where the pixel surface acts as a parasitic layer is also proposed. The parasitic nature of the pixel layer leads to important advantages regarding the switch biasing and integration possibilities. Secondly, new pixel recon guration technologies are explored. After investigating the capabilities of semiconductors and RF-MEMS switches, micro uidic technology is proposed as a new technology to create and remove liquid metal pixels rather than interconnecting them. Thirdly, the full multi-parameter recon guration capabilities of pixel antennas is explored, which contrasts with the partial explorations available in the literature. The maximum achievable recon guration ranges (frequency range, beam-steering angular range and polarization modes) as well as the linkage between the di erent parameter under recon guration are studied. Finally, the performance of recon gurable antennas in beam-steering applications is analyzed. Figures-of-merit are derived to quantify radiation pattern recon gurability, enabling the evaluation of the performance of recon gurable antennas, pixel antennas and recon guration algorithms.

Los sistemas de electrificación autónomos basados en el uso de energías renovables son adecuados para electrificar comunidades rurales aisladas. Para su diseño existen herramientas de apoyo a la toma de decisiones, pero no abarcan algunas consideraciones técnicas y sociales, y/o no entran en el detalle específico del proyecto. En este contexto, el objetivo de esta tesis doctoral es desarrollar una metodología para ayudar en el diseño de sistemas de electrificación autónomos basados en las energías eólica y solar, que sea adecuada a las características económicas, técnicas y sociales de comunidades rurales de países en desarrollo, y que considere la opinión de todos los actores involucrados en el proyecto. La metodología de diseño propuesta se divide en 3 etapas principales: - La primera etapa consiste en realizar evaluaciones iniciales (socioeconómica, energética y técnica) para recopilar la información característica de la comunidad a electrificar. - La segunda etapa es el propio proceso de diseño en sí y se divide en 3 niveles de decisión, ordenados en función de la importancia de las decisiones a tomar. En concreto se estudia la influencia sobre el coste de modificaciones en la demanda (nivel 1), la gestión del sistema (nivel 2) y la seguridad del suministro (nivel 3). Cada nivel de decisión se estructura en 2 pasos: primero se generan diversas alternativas de electrificación con un modelo de programación lineal, incluyendo consideraciones técnicas y sociales; y segundo se selecciona la alternativa más adecuada en función de criterios económicos, técnicos y sociales, mediante la técnica multicriterio de la programación compromiso. - La tercera etapa, opcional, permite intentar mejorar el coste de la solución obtenida, manteniendo las decisiones previamente tomadas. Para la validación de este trabajo de investigación, dos expertos en el campo de la electrificación rural han actuado como hipotéticos usuarios de la metodología de diseño, y han realizado todo el proceso para las comunidades reales de El Alumbre y Alto Perú, ambas en Cajamarca (Perú). Se valida, de esta forma, que la metodología propuesta es adecuada para diseñar sistemas de electrificación autónomos. En concreto, permite personalizar la toma de decisiones de forma clara y estructurada, evaluando una gran cantidad de alternativas de electrificación y obteniendo unos resultados que concuerdan con las preferencias del usuario. / Autonomous electrification systems based on the use of renewable energies are suitable to electrify isolated rural communities. For its design there are decision-making support tools, but they do not cover some technical and social constraints and do not consider the specific detail of the project. In this context, the aim of this PhD is to develop a methodology for helping to the design of autonomous electrification systems based on wind and solar energies, which is appropriate to the economic, technical and social aspects of rural communities in developing countries, and which considers the views of all stakeholders involved in the project. The proposed design methodology is divided into 3 principal stages: - In the first stage characteristics from the community to electrify are gathered through some initial assessments (socio-economic, resource and technical). - The second stage is the design process itself and is divided into 3 decision levels, ordered according to the importance of the decisions to take. Specifically the influence on the cost of modifications on the demand (level 1), the system management (level 2) and the security of supply (level 3) are studied. Each decision level is divided into 2 steps: first several electrification alternatives are generated through a linear programming model, including technical and social considerations; second the most appropriate alternative is selected based on economic, technical and social criteria, through compromise programming multicriteria technique. - The third stage, optional, allows trying to improve the cost of the obtained solutions, maintaining previously taken decisions. To validate this research work, two experts in the field of rural electrification have acted as hypothetical users of the design methodology, and have carried out all the process for the real communities of El Alumbre and Alto Peru, both in Cajamarca (Peru). Thus, it is validated that the proposed methodology is suitable to design autonomous electrification systems. Specifically, it allows personalizing decision-making in a clear and structured way, evaluating many electrification alternatives and obtaining results that match user’s preferences up.

This work presents two speech hiding methods based on a bio-inspired concept known as the ability of adaptation of speech signals. A cryptographic model uses the adaptation to transform a secret message to a non-sensitive target speech signal, and then, the scrambled speech signal is an intelligible signal. The residual intelligibility is extremely low and it is appropriate to transmit secure speech signals. On the other hand, in a steganographic model, the adapted speech signal is hidden into a host signal by using indirect substitution or direct substitution. In the first case, the scheme is known as Efficient Wavelet Masking (EWM), and in the second case, it is known as improved-EWM (iEWM). While EWM demonstrated to be highly statistical transparent, the second one, iEWM, demonstrated to be highly robust against signal manipulations. Finally, with the purpose to transmit secure speech signals in real-time operation, a hardware-based scheme is proposed / Esta tesis presenta dos métodos de comunicación encubierta de señales de voz utilizando un concepto bio-inspirado, conocido como la “habilidad de adaptación de señales de voz”. El modelo de criptografía utiliza la adaptación para transformar un mensaje secreto a una señal de voz no confidencial, obteniendo una señal de voz encriptada legible. Este método es apropiado para transmitir señales de voz seguras porque en la señal encriptada no quedan rastros del mensaje secreto original. En el caso de esteganografía, la señal de voz adaptada se oculta en una señal de voz huésped, utilizando sustitución directa o indirecta. En el primer caso el esquema se denomina EWM y en el segundo caso iEWM. EWM demostró ser altamente transparente, mientras que iEWM demostró ser altamente robusto contra manipulaciones de señal. Finalmente, con el propósito de transmitir señales de voz seguras en tiempo real, se propone un esquema para dispositivos hardware.

In recent years, wireless sensor networks have attracted considerable attention in the research community. Their development, induced by technological advances in microelectronics, wireless networking and battery fabrication, is mainly motivated by a large number of possible applications such as environmental monitoring, industrial process control, goods tracking, healthcare applications, to name a few. Due to the unattended nature of wireless sensor networks, battery replacement can be either too costly or simply not feasible. In order to cope with this problem and prolong the network lifetime, energy efficient data transmission protocols have to be designed. Motivated by this ultimate goal, this PhD dissertation focuses on the design of collaborative beamforming schemes for wireless sensor networks with energy harvesting capabilities. On the one hand, by resorting to collaborative beamforming, sensors are able to convey a common message to a distant base station, in an energy efficient fashion. On the other, sensor nodes with energy harvesting capabilities promise virtually infinite network lifetime. Nevertheless, in order to realize collaborative beamforming, it is necessary that sensors align their transmitted signals so that they are coherently combined at the destination. Moreover, sensor nodes have to adapt their transmissions according to the amounts of harvested energy over time. First, this dissertation addresses the scenario where two sensor nodes (one of them capable of harvesting ambient energy) collaboratively transmit a common message to a distant base station. In this setting, we show that the optimal power allocation policy at the energy harvesting sensor can be computed independently (i.e., without the knowledge of the optimal policy at the battery operated one). Furthermore, we propose an iterative algorithm that allows us to compute the optimal policy at the battery operated sensor, as well. The insights gained by the aforementioned scenario allow us to generalize the analysis to a system with multiple energy harvesting sensors. In particular, we develop an iterative algorithm which sequentially optimizes the policies for all the sensors until some convergence criterion is satisfied. For the previous scenarios, this PhD dissertation evaluates the impact of total energy harvested, number of sensors and limited energy storage capacity on the system performance. Finally, we consider some practical schemes for carrier synchronization, required in order to implement collaborative beamforming in wireless sensor networks. To that end, we analyze two algorithms for decentralized phase synchronization: (i) the one bit of feedback algorithm previously proposed in the literature; and (ii) a decentralized phase synchronization algorithm that we propose. As for the former, we analyze the impact of additive noise on the beamforming gain and algorithm’s convergence properties, and, subsequently, we propose a variation that performs sidelobe control. As for the latter, the sensors are allowed to choose their respective training timeslots randomly, relieving the base station of the burden associated with centralized coordination. In this context, this PhD dissertation addresses the impact of number of timeslots and additive noise on the achieved received signal strength and throughput / En los últimos años, las redes de sensores inalámbricas han atraído considerable atención en la comunidad investigadora. Su desarrollo, impulsado por recientes avances tecnológicos en microelectrónica y radio comunicaciones, está motivado principalmente por un gran abanico de aplicaciones, tales como: Monitorización ambiental, control de procesos industriales, seguimiento de mercancías, telemedicina, entre otras. En las redes de sensores inalámbricas, es primordial el diseño de protocolos de transmisión energéticamente eficientes ya que no se contempla el reemplazo de baterías debido a su coste y/o complejidad. Motivados por esta problemática, esta tesis doctoral se centra en el diseño de esquemas de conformación de haz distribuidos para redes de sensores, en el que los nodos son capaces de almacenar energía del entorno, lo que en inglés se denomina energy harvesting. En primer lugar, esta tesis doctoral aborda el escenario en el que dos sensores (uno de ellos capaz de almacenar energía del ambiente) transmiten conjuntamente un mensaje a una estación base. En este contexto, se demuestra que la política de asignación de potencia óptima en el sensor con energy harvesting puede ser calculada de forma independiente (es decir, sin el conocimiento de la política óptima del otro sensor). A continuación, se propone un algoritmo iterativo que permite calcular la política óptima en el sensor que funciona con baterías. Este esquema es posteriormente generalizado para el caso de múltiples sensores. En particular, se desarrolla un algoritmo iterativo que optimiza las políticas de todos los sensores secuencialmente. Para los escenarios anteriormente mencionados, esta tesis evalúa el impacto de la energía total cosechada, número de sensores y la capacidad de la batería. Por último, se aborda el problema de sincronización de fase en los sensores con el fin de poder realizar la conformación de haz de forma distribuida. Para ello, se analizan dos algoritmos para la sincronización de fase descentralizados: (i) el algoritmo "one bit of feedback" previamente propuesto en la literatura, y (ii) un algoritmo de sincronización de fase descentralizado que se propone en esta tesis. En el primer caso, se analiza el impacto del ruido aditivo en la ganancia y la convergencia del algoritmo. Además, se propone una variación que realiza el control de lóbulos secundarios. En el segundo esquema, los sensores eligen intervalos de tiempo de forma aleatoria para transmitir y posteriormente reciben información de la estación base para ajustar sus osciladores. En este escenario, esta tesis doctoral aborda el impacto del número de intervalos de tiempo y el ruido aditivo sobre la ganancia de conformación.

The goal of this Ph.D. dissertation is to address a number of challenges encountered in the digital baseband design of modern and future wireless communication systems. The fast and continuous evolution of wireless communications has been driven by the ambitious goal of providing ubiquitous services that could guarantee high throughput, reliability of the communication link and satisfy the increasing demand for efficient re-utilization of the heavily populated wireless spectrum. To cope with these ever-growing performance requirements, researchers around the world have introduced sophisticated broadband physical (PHY)-layer communication schemes able to accommodate higher bandwidth, which indicatively include multiple antennas at the transmitter and receiver and are capable of delivering improved spectral efficiency by applying interference management policies. The merging of Multiple Input Multiple Output (MIMO) schemes with the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) offers a flexible signal processing substrate to implement the PHY-layer of various modern wireless communication systems. This is mainly due to the fact that this technology combination is able to provide increased channel capacity and robustness against multipath fading channels. Additionally, Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) is augmenting the capacities of the MIMO-OFDMtechnology to serve various mobile subscribers at the same time. A prominent scheme proposed to capitalize the benefits of diversity is the closed-loop MIMO communications, where the receiver is providing information to the transmitter related to the current channel conditions by means of a dedicated feedback channel. In the transmitter, the Channel State Information (CSI) is exploited to adapt at run-time the transmission and, thus, take advantage of the capacities provided by MIMO-OFDM(A). The increased performance and flexible PHY-layer features of communication systems featuring MIMO-OFDM come at a cost of an increased computational load at baseband. Thus, innovating algorithmic, design and implementation solutions are required to provide the required PHY-layer schemes. Indeed, many levels of innovation are required to pass from a high-level model-based description of the system and its embedded algorithms to their digital realization. In fact, innovating digital design techniques aiming at maximizing the parallelization and resource re-utilization of the baseband Digital Signal Processing (DSP) algorithms have to be employed towards this end, in order to efficiently realize advanced PHY-layer schemes based on the MIMO-OFDM technology. The Field-Programmable Gate Array (FPGA) custom-processing devices were selected for realizing the proof-of-concept developments of the thesis. When facing the real-time implementation of custom bit-intensive DSP architectures FPGAs satisfy a trade-off between performance and flexibility, whilst providing the proof-of-concept environment, where innovating Register Transfer Level (RTL)-design techniques can be realistically validated. Moreover, a custom Hardware Description Language (HDL) coding approach was adopted to optimally define the processing demanding RTL designs. An important aspect of the presented PHY-layer prototyping is the utilization of real-life operating conditions, hardware specifications, constraints and mobile channel propagation conditions. This was made feasible by using the GEDOMISR testbed. GEDOMIS is a high capacity signal generation and signal processing platform that enables the end-to-end real-time prototyping of multi-antenna wireless communication systems. In order to support the complex development cycle it was introduced an iterative design, implementation and verification methodology, covering all the required steps from the definition of the system requirements and high-level modelling to the comprehensive evaluation of the resulting prototype based on a realistic hardware-setup. The core contribution of this thesis is the simplification and optimization of a number of DSP operations that form part of certain baseband building blocks, which are encountered in modern OFDM-based communication systems. This not only allowed to meet the stringent real-time performance requirements, but also enabled the intelligent re-utilization, resource sharing or parallelization of the processing and memory resources available at the target FPGA devices. Two representative use cases detail this core contribution and underlined the suitability of the proposed development flow. The first use case is a 2x2 MIMO closed-loop PHY-layer scheme, based on the mobile Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) wireless communication standard and featuring a Transmit Antenna Selection (TAS) mechanism. The second use case implements a 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Long Term Evolution (LTE)-based macrocell/femtocell interference-management scheme. / Aquesta tesi doctoral té com a objectiu abordar diversos reptes que es presenten en el disseny digital en banda base per a sistemes de comunicació sense fils moderns i futurs. La ràpida i continua evolució que han experimentat les comunicacions sense fils ha estat promoguda per l’ambiciós objectiu de proveir de serveis omnipresents capaços de garantir un alt rendiment i la fiabilitat dels enllaços de comunicació, tot satisfent el creixent requeriment per a la reutilització eficient de l’atapeït espectre radioelèctric. Per tal de fer front als requeriments de rendiment sempre creixents, investigadors d’arreu del món han proposat sofisticats esquemes de comunicació de capa física (PHYsical-layer, PHY), capaços d’acomodar un elevat ample de banda, incloent també de forma indicativa l’ús de múltiples antenes tant al transmissor com al receptor i millorant l’eficiència espectral mitjançant l’aplicació de principis per a la gestió de la interferència. La combinació d’esquemes multi-antena (Multiple Input Multiple Output, MIMO) amb la Multiplexació per Divisió Ortogonal de Freqüència (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) ofereix un medi flexible de processat del senyal per a la implementació de la capa física de diversos sistemes de comunicacions sense fils moderns. Això és degut al seu potencial per a proveir d’una major capacitat de canal i protecció envers els diferents retards i pèrdues introduïdes per les transmissions sobre canals multi-trajectòria. Addicionalment, la Divisió Ortogonal de Freqüència d’Accés Múltiple (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA) augmenta les capacitats de la tecnologia MIMO-OFDM permetent servir simultàniament a diversos subscriptors mòbils. Un esquema MIMO prominent que permet capitalitzar els beneficis de la diversitat és el de llaç tancat, on el receptor proveeix Informació sobre l’Estat del Canal (Channel State Information, CSI) al transmissor mitjançant un enllaç de retorn dedicat. El transmissor explota la CSI per a adaptar la transmissió dinàmicament i així poder aprofitar completament les capacitats de la tecnologia MIMO-OFDM(A). L’elevat rendiment i les capacitats flexibles de la capa física dels sistemes de comunicació que utilitzen MIMO-OFDM impliquen un augment de la càrrega computacional en banda base. Conseqüentment, calen solucions innovadores a nivell algorítmic, de disseny i d’implementació per tal de proveir els esquemes de capa física requerits. De fet, es requereix d’innovació en diversos estrats per a passar de la descripció d’alt nivell del sistema i els algorismes que el formen (i.e., modelat) a la seva realització digital. Concretament, cal utilitzar tècniques de disseny digital innovadores que tinguin com a objectiu maximitzar el paral ·lelisme i la reutilització de recursos per a la implementació dels algorismes de Processat Digital del Senyal (Digital Signal Processing, DSP), permetent així assolir una realització eficient d’esquemes avançats de capa física basats en la tecnologia MIMO-OFDM. Els dispositius Matriu de Portes Programables (Field-Programmable Gate Array, FPGA), caracteritzats per possibilitar un processament a mida, es van escollir per a realitzar els desenvolupaments de prova de concepte de la tesi. Quan es considera la implementació en temps real d’arquitectures a mida d’alt rendiment per al DSP, les FPGAs proveeixen d’alta capacitat computacional i flexibilitat, oferint doncs un entorn ideal per a la validació experimental de tècniques innovadores de disseny a Nivell de Transferència de Registres (Register Transfer Level, RTL). Concretament, s’ha escollit una aproximació basada en la creació de codi a mida usant un Llenguatge de Descripció de Maquinari (Hardware Description Language, HDL), que permet definir de forma òptima aquells dissenys RTL que presenten elevats requeriments de computació. Un aspecte important del propotipat de capa física que es presenta és la utilització de condicions realistes d’operació, d’especificacions i restriccions de maquinari i de condicions de propagació en canals mòbils. Això va ésser possible gràcies a la utilització del banc de proves GEDOMISR . GEDOMIS és una plataforma d’alta capacitat per a la generació i processat del senyal, que permet el prototipat complet en temps real de sistemes multi-antena de comunicacions sense fils. Per tal de suportar el complex cicle de desenvolupament es va introduir una metodologia iterativa de disseny, implementació i verificació, cobrint totes els passos des de la definició dels requeriments i modelat d’alt nivell del sistema fins a la validació exhaustiva dels prototipus resultants mitjançant una plataforma realista. La contribució central de la tesi és la simplificació i optimització de diverses operacions de DSP que formen part de blocs arquitecturals de la banda base, que es troben als sistemes moderns de comunicació basats en OFDM. Això no només va permetre de satisfer els estrictes requeriments de rendiment impostats per la seva operació en temps real, sinó que ha habilitat la reutilització intel·ligent, compartició o paral·lelització dels recursos de processament i d’emmagatzemament proveïts pels dispositius FPGA escollits per a la seva implementació. Dos casos d’ús detallen aquesta contribució central, subratllant la conveniència del flux de desenvolupament proposat. El primer cas d’us és un esquema MIMO de llaç tancat, basat en l’estàndard de comunicacions sense fils WiMAX mòbil i emprant un mecanisme de Selecció d’Antena Transmissora (Transmit Antenna Selection, TAS). El segon cas d’ús implementa un esquema de gestió de la interferència en un escenari macro-cel·la/femto-cel·la basat en l’estàndard 3GPP LTE.

Nowadays, the microelectronics technology is based on the mature and very well established silicon (Si) technology. However, Si exhibits some important limitations regarding its voltage blocking capability, operation temperature and switching frequency. In this sense, Gallium Nitride (GaN)-based high electron mobility transistors (HEMTs) devices have the potential to make this change possible. The unique combination of the high-breakdown field, the high-channel electron mobility of the two dimensional electron gas (2DEG), and high-temperature of operation has attracted enormous interest from social, academia and industry and in this context this PhD dissertation has been made. This thesis has focused on improving the device performance through the advanced design, fabrication and characterization of AlGaN/GaN HEMTs, primarily grown on Si templates. The first milestone of this PhD dissertation has been the establishment of a know-how on GaN HEMT technology from several points of view: the device design, the device modeling, the process fabrication and the advanced characterization primarily using devices fabricated at Centre de Recherche sur l'Hétéro-Epitaxie (CRHEA-CNRS) (France) in the framework of a collaborative project. In this project, the main workhorse of this dissertation was the explorative analysis performed on the AlGaN/GaN HEMTs by innovative electrical and physical characterization methods. A relevant objective of this thesis was also to merge the nanotechnology approach with the conventional characterization techniques at the device scale to understand the device performance. A number of physical characterization techniques have been imaginatively used during this PhD determine the main physical parameters of our devices such as the morphology, the composition, the threading dislocations density, the nanoscale conductive pattern and others. The conductive atomic force microscopy (CAFM) tool have been widely described and used to understand the conduction mechanisms through the AlGaN/GaN Ohmic contact by performing simultaneously topography and electrical conductivity measurements. As it occurs with the most of the electronic switches, the gate stack is maybe the critical part of the device in terms of performance and longtime reliability. For this reason, how the AlGaN/GaN HEMT gate contact affects the overall HEMT behaviour by means of advanced characterization and modeling has been intensively investigated. It is worth mentioning that the high-temperature characterization is also a cornerstone of this PhD. It has been reported the elevated temperature impact on the forward and the reverse leakage currents for analogous Schottky gate HEMTs grown on different substrates: Si, sapphire and free-standing GaN (FS-GaN). The HEMT' forward-current temperature coefficients (T^a) as well as the thermal activation energies have been determined in the range of 25-300 ºC. Besides, the impact of the elevated temperature on the Ohmic and gate contacts has also been investigated. The main results of the gold-free AlGaN/GaN HEMTs high-voltage devices fabricated with a 4 inch Si CMOS compatible technology at the clean room of the CNM in the framework of the industrial contract with ON semiconductor were presented. We have shown that the fabricated devices are in the state-of-the-art (gold-free Ohmic and Schottky contacts) taking into account their power device figure-of-merit ((VB^2)/Ron) of 4.05×10^8 W/cm^2. Basically, two different families of AlGaN/GaN-on-Si MIS-HEMTs devices were fabricated on commercial 4 inch wafers: (i) using a thin ALD HfO2 (deposited on the CNM clean room) and (ii) thin in-situ grown Si3N4, as a gate insulator (grown by the vendor). The scientific impact of this PhD in terms of science indicators is of 17 journal papers (8 as first author) and 10 contributions at international conferences.