The ever-increasing growth of the wireless application and services affirms the importance of the effective usage of the limited radio spectrum. Existing spectrum management policies have led to significant spectrum under-utilization. Recent measurements showed that large range of the spectrum is sparsely used in both temporal and spatial manner. This conflict between the inefficient usage of the spectrum and the continuous evolution in the wireless communication calls upon the development of more flexible management policies. Cognitive radio (CR) with the dynamic spectrum access (DSA) is considered to be a key technology in making the best solution of this conflict by allowing a group of secondary users (SUs) to share the radio spectrum originally allocated to the primary user (PUs). The operation of CR should not negatively alter the performance of the PUs. Therefore, the interference control along with the highly dynamic nature of PUs activities open up new resource allocation problems in CR systems. The resource allocation algorithms should ensure an effective share of the temporarily available frequency bands and deliver the solutions in timely fashion to cope with quick changes in the network. In this dissertation, the resource management problem in multicarrier based CR systems is considered. The dissertation focuses on three main issues: 1) design of efficient resource allocation algorithms to allocate subcarriers and powers between SUs such that no harmful interference is introduced to PUs, 2) compare the spectral efficiency of using different multicarrier schemes in the CR physical layer, specifically, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and filter bank multicarrier (FBMC) schemes, 3) investigate the impact of the different constraints values on the overall performance of the CR system. Three different scenarios are considered in this dissertation, namely downlink transmission, uplink transmission, and relayed transmission. For every scenario, the optimal solution is examined and efficient sub-optimal algorithms are proposed to reduce the computational burden of obtaining the optimal solution. The suboptimal algorithms are developed by separate the subcarrier and power allocation into two steps in downlink and uplink scenarios. In the relayed scenario, dual decomposition technique is used to obtain an asymptotically optimal solution, and a joint heuristic algorithm is proposed to find the suboptimal solution. Numerical simulations show that the proposed suboptimal algorithms achieve a near optimal performance and perform better than the existing algorithms designed for cognitive and non-cognitive systems. Eventually, the ability of FBMC to overcome the OFDM drawbacks and achieve more spectral efficiency is verified which recommends the consideration of FBMC in the future CR systems. / El crecimiento continuo de las aplicaciones y servicios en sistemas inal´ambricos, indica la importancia y necesidad de una utilizaci´on eficaz del espectro radio. Las pol´ıticas actuales de gesti´on del espectro han conducido a una infrautilizaci´on del propio espectro radioel´ectrico. Recientes mediciones en diferentes entornos han mostrado que gran parte del espectro queda poco utilizado en sus ambas vertientes, la temporal, y la espacial. El permanente conflicto entre el uso ineficiente del espectro y la evoluci´on continua de los sistemas de comunicaci´on inal´ambrica, hace que sea urgente y necesario el desarrollo de esquemas de gesti´on del espectro m´as flexibles. Se considera el acceso din´amico (DSA) al espectro en los sistemas cognitivos como una tecnolog´ıa clave para resolver este conflicto al permitir que un grupo de usuarios secundarios (SUs) puedan compartir y acceder al espectro asignado inicialmente a uno o varios usuarios primarios (PUs). Las operaciones de comunicaci´on llevadas a cabo por los sistemas radio cognitivos no deben en ning´un caso alterar (interferir) los sistemas primarios. Por tanto, el control de la interferencia junto al gran dinamismo de los sistemas primarios implica nuevos retos en el control y asignaci´on de los recursos radio en los sistemas de comunicaci´on CR. Los algoritmos de gesti´on y asignaci´on de recursos (Radio Resource Management-RRM) deben garantizar una participaci´on efectiva de las bandas con frecuencias disponibles temporalmente, y ofrecer en cada momento oportunas soluciones para hacer frente a los distintos cambios r´apidos que influyen en la misma red. En esta tesis doctoral, se analiza el problema de la gesti´on de los recursos radio en sistemas multiportadoras CR, proponiendo varias soluciones para su uso eficaz y coexistencia con los PUs. La tesis en s´ı, se centra en tres l´ıneas principales: 1) el dise˜no de algoritmos eficientes de gesti´on de recursos para la asignaci´on de sub-portadoras y distribuci´on de la potencia en sistemas segundarios, evitando asi cualquier interferencia que pueda ser perjudicial para el funcionamiento normal de los usuarios de la red primaria, 2) analizar y comparar la eficiencia espectral alcanzada a la hora de utilizar diferentes esquema de transmisi´on multiportadora en la capa f´ısica del sistema CR, espec´ıficamente en sistemas basados en OFDM y los basados en banco de filtros multiportadoras (Filter bank Multicarrier-FBMC), 3) investigar el impacto de las diferentes limitaciones en el rendimiento total del sistema de CR. Los escenarios considerados en esta tesis son tres, es decir; modo de transmisi´on descendente (downlink), modo de transmisi´on ascendente (uplink), y el modo de transmisi´on ”Relay”. En cada escenario, la soluci´on ´optima es examinada y comparada con algoritmos sub- ´optimos que tienen como objetivo principal reducir la carga computacional. Los algoritmos sub-´optimos son llevados a cabo en dos fases mediante la separaci´on del propio proceso de distribuci´on de subportadoras y la asignaci´on de la potencia en los modos de comunicaci´on descendente (downlink), y ascendente (uplink). Para los entornos de tipo ”Relay”, se ha utilizado la t´ecnica de doble descomposici´on (dual decomposition) para obtener una soluci´on asint´oticamente ´optima. Adem´as, se ha desarrollado un algoritmo heur´ıstico para poder obtener la soluci´on ´optima con un reducido coste computacional. Los resultados obtenidos mediante simulaciones num´ericas muestran que los algoritmos sub-´optimos desarrollados logran acercarse a la soluci´on ´optima en cada uno de los entornos analizados, logrando as´ı un mayor rendimiento que los ya existentes y utilizados tanto en entornos cognitivos como no-cognitivos. Se puede comprobar en varios resultados obtenidos en la tesis la superioridad del esquema multiportadora FBMC sobre los sistemas basados en OFDM para los entornos cognitivos, causando una menor interferencia que el OFDM en los sistemas primarios, y logrando una mayor eficiencia espectral. Finalmente, en base a lo analizado en esta tesis, podemos recomendar al esquema multiportadora FBMC como una id´onea y potente forma de comunicaci´on para las futuras redes cognitivas.

Optical access technology has experienced a boost in the last years, thanks to the continuously migrating multimedia services that are offered over the internet. Though the technologies used for deploying Fiber-To-The-x (FTTx) and Fiber-to-the-Home (FTTH) are mostly based on either Active solutions or as far as Passsive Optical Networks (PONs) is concerned, in Time Division Multiplexing (TDM), an evolution towards Hybrid solutions such as Wavelength Division Multiplexing/Time Division Multiplexing (WDM/TDM) can be foreseen. What needs to be researched and finally established are the exact designs for this important step of integration, which should be optimized in terms of transmission performance and cost, to address all requirements of next-generation passive optical networks. As the most critical elements in optical access network, the design and its cost are the main topics of this discussion. The covered topics span over a wide range and include cost estimation of several optical network technologies - architectures and their comparison and furthermore, subjects of design optimization. In this last category, in-line remote amplification, use of an alternative and an extended frequency band, dispersion compensation and equalization techniques have been examined as well as a combination of the aforementioned means of network optimization. Next to the principal proof of the proposed techniques, the benefits are highlighted in different case studies, while the most representative designs are further discussed.

The last decades, we have witnessed different phenomenology in the telecommunications sector. One of them is the widespread use of the Internet, which has brought a sharp increase in traffic, forcing suppliers to continuously expand the capacity of networks. In the near future, Internet will be composed of long-range highspeed optical networks; a number of wireless networks at the edge; and, in between, several access technologies. Today one of the main problems of the Internet is the bottleneck in the access segment. To address this issue the Passive Optical Networks (PONs) are very likely to succeed, due to their simplicity, low-cost, and increased bandwidth. A PON is made up of fiber optic cabling and passive splitters and couplers that distribute an optical signal to connectors that terminate each fiber segment. Among the different PON technologies, the Ethernet-PON (EPON) is a great alternative to satisfy operator and user needs, due to its cost, flexibility and interoperability with other technologies. One of the most interesting challenges in such technologies relates to the scheduling and allocation of resources in the upstream (shared) channel, i.e., the resource management. The aim of this thesis is to study and evaluate current contributions and propose new efficient solutions to address the resource management issues mainly in EPON. Key issues in this context are future end-user needs, quality of service (QoS) support, energy-saving and optimized service provisioning for real-time and elastic flows. This thesis also identifies research opportunities, issue recommendations and proposes novel mechanisms associated with access networks based on optical fiber technologies.

To overcome the current under-utilization of spectrum resources, the CR (Cognitive Radio) paradigm has gained an increasing interest to perform the so-called Dynamic Spectrum Access (DSA). In this respect, Cognitive Radio networks (CRNs) have been strengthened with cognitive management support to push forward their deployment and commercialization. This dissertation has assessed the relevance of exploiting several cognitive management functionalities in various scenarios and case studies. Specifically, this dissertation has constructed a generic cognitive management framework, based on the fittingness factor concept, to support spectrum management in CRNs. Under this framework, the dissertation has addressed two of the most promising CR applications, namely an Opportunistic Spectrum Access (OSA) to licensed bands and open sharing of license-exempt bands. In the former application, several strategies that exploit temporal statistical dependence between primary activity/inactivity durations to perform a proactive spectrum selection have been discussed. A set of guidelines to select the most relevant strategy for a given environment have been provided. In the latter application, a fittingness factor-based spectrum selection strategy has been proposed to efficiency exploit the different bands. Several formulations of the fittingness factor have been compared, and their relevance have been assessed under different settings. Drawing inspiration from these applications, a more general proactive strategy exploiting a characterization of spectrum resources at both the time and frequency domains has been developed to jointly assist spectrum selection (SS) and spectrum mobility (SM) functionalities. Several variants of the proposed strategy, each combining different choices and options of implementation, have been compared to identify which of its components have the most significant impact on performance depending on the working conditions of the CRN. To assess rationality of the proposed strategy with respect to other strategies, a cost-benefit analysis has been conducted to confront the introduced gain in terms of user satisfaction level to the incurred cost in terms of signaling amount. Finally, the dissertation has conducted an analysis of practicality aspects in terms of robustness to environment uncertainty and applicability to realistic environments. With respect to the former aspect, robustness has been assessed in front of two sources of uncertainty, namely imperfection of the acquisition process and non-stationarity of the environment, and additional functionalities have been developed, when needed, to improve robustness. With respect to the latter, the proposed framework has been applied to a Digital Home (DH) environment to validate the obtained key findings under realistic conditions.

La movilidad del transporte en España, en el modo ferroviario de ancho ibérico convencional, ha registrado entre los años 1975 y 2009 un aumento de 130 millones de kms‐tren en el año 1975 a 180 millones de kms‐tren en el año 2009, incluidos el transporte de viajeros y el de mercancías. En el servicio de viajeros, el público exige cada vez mayor rapidez de transporte y comodidad para reducir la duración de los viajes, valorando especialmente el elevado nivel actual de la seguridad ferroviaria y en el servicio de mercancías, además de la seguridad por el valor de las mercancías, el cumplimiento del plazo de transporte, origen ‐ destino, de gran importancia para las empresas. El aumento de recorridos en millones de kms‐tren mencionado ha ido acompañado de un aumento de la velocidad máxima, que ha pasado de 120 km/h en 1975 a 160 km/h en 2009, sucesivamente. Por lo tanto ha aumentado también el riesgo, elevando así el reto para conseguir una disminución de los accidentes. La experiencia en la historia del ferrocarril y muy especialmente en el periodo que se analiza en este estudio 1975‐2009, constata que la seguridad en esta modalidad de transporte esta muy relacionada con factores tan importantes como la infraestructura de la vía, la superestructura, los sistemas de gestión, el material y el factor humano, lo que induce al autor a establecer la hipótesis de una correlación entre estos elementos y el nivel de seguridad. El autor de este trabajo, profesional ferroviario que ha desempeñado responsabilidades ejecutivas y directivas, siempre en línea, en la Red Ferroviaria de Interés General Española, y entre ellas la gestión del mantenimiento del material, explotación, investigación de causas de accidentes y su prevención, estima poseer la formación y experiencia suficiente, para estudiar y analizar si los avances tecnológicos y operativos están detrás (o son la causa) de la evolución positiva registrada, como consta en las aportaciones realizadas a lo largo de la vida profesional, recogidas en la bibliografía de la tesis. El objeto del estudio es establecer la correlación que pueda existir entre la notable reducción de accidentes registrados en la Red Ferroviaria de Interés General, en el período, 1975‐2009 y las aplicaciones tecnológicas realizadas al objeto de identificar cuáles han tenido un impacto mayor, en la mejora de la seguridad. El interés de este conocimiento de nivel elevado basado en la experiencia de RENFE y en un periodo de 35 años, no solo es académico ya que la seguridad requiere un esfuerzo continuado y porque el nivel elevado de seguridad alcanzado por RENFE y la mayoría de Operadores Ferroviarios Europeos, no se ha alcanzado por otros Operadores. Los accidentes recientes en la estación de Once, próxima a Buenos Aires y la de Chalupki en Polonia, indican que todavía queda mucho por hacer y entendemos, que las conclusiones objetivas de este trabajo serán de extraordinaria utilidad para aquellos otros Operadores que a diferencia de RENFE, tienen todavía mucho que realizar en el campo de la seguridad. / The transport mobility in Spain , in the Iberian gauge rail so conventional, recorded between 1975 and 2009 an increase of 130 million kms- train in 1975 to 180 million train kms- 2009, including passenger transport and freight. In passenger service, the public demands rapidly growing transport and comfort to reduce travel time, especially valuing the present high level of railway safety and freight service, and security for the value of goods, transport term compliance, origin - destination of great importance for companies. The increase of route million train kms- mentioned has been accompanied by an increase in speed, which has grown from 120 km / h in 1975 to 160 km / h in 2009, on. Thus the risk has also increased , raising the challenge to achieve a decrease in accidents. Experience in railroad history and especially in the period analyzed in this study 1975-2009 , notes that security in this mode of transport is closely related to important factors such as road infrastructure, the superstructure, the management systems, the material and the human factor, which induces the author to establish the hypothesis of a correlation between these elements and the security level . The author of this work, has played professional railway executive and managerial responsibilities, always online, in General Interest Railway Network Spanish, and management including maintenance of equipment, operation, investigation of causes of accidents and their prevention, estimated to have sufficient training and experience, to study and analyze whether technological and operational advances are behind (or are the cause ) of the positive developments, as reflected in the contributions made throughout professional life, reported in the literature of the thesis. The purpose of the study is to establish the correlation that may exist between the significant reduction in accidents in the General Interest Railway Network in the period 1975-2009 and technological applications performed in order to identify which have had a major impact on improved security. The interest of this high level knowledge based on the experience of RENFE and over a period of 35 years, not only is academic since security requires sustained effort and because the high level of safety attained by RENFE and most Railway Operators Europe has not been achieved by other operators. Recent Accidents Eleven station near Buenos Aires and the Chalupki in Poland, indicate that there is still much to do and understand, that the factual findings of this study will be extremely useful for those other operators RENFE unlike, still have much to do in the field of security.

If speech is acquired by a close-talking microphone in a controlled and noise-free environment, current state-of-the-art recognition systems often show an acceptable error rate. The use of close-talking microphones, however, may be too restrictive in many applications. Alternatively, distant-talking microphones, often placed several meters far from the speaker, may be used. Such setup is less intrusive, since the speaker does not have to wear any microphone, but the Automatic Speech Recognition (ASR) performance is strongly affected by noise and reverberation. The thesis is focused on ASR applications in a room environment, where reverberation is the dominant source of distortion, and considers both single- and multi-microphone setups. If speech is recorded in parallel by several microphones arbitrarily located in the room, the degree of distortion may vary from one channel to another. The difference among the signal quality of each recording may be even more evident if those microphones have different characteristics: some are hanging on the walls, others standing on the table, or others build in the personal communication devices of the people present in the room. In a scenario like that, the ASR system may benefit strongly if the signal with the highest quality is used for recognition. To find such signal, what is commonly referred as Channel Selection (CS), several techniques have been proposed, which are discussed in detail in this thesis. In fact, CS aims to rank the signals according to their quality from the ASR perspective. To create such ranking, a measure that either estimates the intrinsic quality of a given signal, or how well it fits the acoustic models of the recognition system is needed. In this thesis we provide an overview of the CS measures presented in the literature so far, and compare them experimentally. Several new techniques are introduced, that surpass the former techniques in terms of recognition accuracy and/or computational efficiency. A combination of different CS measures is also proposed to further increase the recognition accuracy, or to reduce the computational load without any significant performance loss. Besides, we show that CS may be used together with other robust ASR techniques, and that the recognition improvements are cumulative up to some extent. An online real-time version of the channel selection method based on the variance of the speech sub-band envelopes, which was developed in this thesis, was designed and implemented in a smart room environment. When evaluated in experiments with real distant-talking microphone recordings and with moving speakers, a significant recognition performance improvement was observed. Another contribution of this thesis, that does not require multiple microphones, was developed in cooperation with the colleagues from the chair of Multimedia Communications and Signal Processing at the University of Erlangen-Nuremberg, Erlangen, Germany. It deals with the problem of feature extraction within REMOS (REverberation MOdeling for Speech recognition), which is a generic framework for robust distant-talking speech recognition. In this framework, the use of conventional methods to obtain decorrelated feature vector coefficients, like the discrete cosine transform, is constrained by the inner optimization problem of REMOS, which may become unsolvable in a reasonable time. A new feature extraction method based on frequency filtering was proposed to avoid this problem. / Los actuales sistemas de reconocimiento del habla muestran a menudo una tasa de error aceptable si la voz es registrada por micr ofonos próximos a la boca del hablante, en un entorno controlado y libre de ruido. Sin embargo, el uso de estos micr ofonos puede ser demasiado restrictivo en muchas aplicaciones. Alternativamente, se pueden emplear micr ofonos distantes, los cuales a menudo se ubican a varios metros del hablante. Esta con guraci on es menos intrusiva ya que el hablante no tiene que llevar encima ning un micr ofono, pero el rendimiento del reconocimiento autom atico del habla (ASR, del ingl es Automatic Speech Recognition) en dicho caso se ve fuertemente afectado por el ruido y la reverberaci on. Esta tesis se enfoca a aplicaciones ASR en el entorno de una sala, donde la reverberaci on es la causa predominante de distorsi on y se considera tanto el caso de un solo micr ofono como el de m ultiples micr ofonos. Si el habla es grabada en paralelo por varios micr ofonos distribuidos arbitrariamente en la sala, el grado de distorsi on puede variar de un canal a otro. Las diferencias de calidad entre las señales grabadas pueden ser m as acentuadas si dichos micr ofonos muestran diferentes características y colocaciones: unos en las paredes, otros sobre la mesa, u otros integrados en los dispositivos de comunicaci on de las personas presentes en la sala. En dicho escenario el sistema ASR se puede bene ciar enormemente de la utilizaci on de la señal con mayor calidad para el reconocimiento. Para hallar dicha señal se han propuesto diversas t ecnicas, denominadas CS (del ingl es Channel Selection), las cuales se discuten detalladament en esta tesis. De hecho, la selecci on de canal busca ranquear las señales conforme a su calidad desde la perspectiva ASR. Para crear tal ranquin se necesita una medida que tanto estime la calidad intr nseca de una selal, como lo bien que esta se ajusta a los modelos ac usticos del sistema de reconocimiento. En esta tesis proporcionamos un resumen de las medidas CS hasta ahora presentadas en la literatura, compar andolas experimentalmente. Diversas nuevas t ecnicas son presentadas que superan las t ecnicas iniciales en cuanto a exactitud de reconocimiento y/o e ciencia computacional. Tambi en se propone una combinaci on de diferentes medidas CS para incrementar la exactitud de reconocimiento, o para reducir la carga computacional sin ninguna p erdida signi cativa de rendimiento. Adem as mostramos que la CS puede ser empleada junto con otras t ecnicas robustas de ASR, tales como matched condition training o la normalizaci on de la varianza y la media, y que las mejoras de reconocimiento de ambas aproximaciones son hasta cierto punto acumulativas. Una versi on online en tiempo real del m etodo de selecci on de canal basado en la varianza del speech sub-band envelopes, que fue desarrolladas en esta tesis, fue diseñada e implementada en una sala inteligente. Reportamos una mejora signi cativa en el rendimiento del reconocimiento al evaluar experimentalmente grabaciones reales de micr ofonos no pr oximos a la boca con hablantes en movimiento. La otra contribuci on de esta tesis, que no requiere m ultiples micr ofonos, fue desarrollada en colaboraci on con los colegas del departamento de Comunicaciones Multimedia y Procesamiento de Señales de la Universidad de Erlangen-Nuremberg, Erlangen, Alemania. Trata sobre el problema de extracci on de caracter sticas en REMOS (del ingl es REverberation MOdeling for Speech recognition). REMOS es un marco conceptual gen erico para el reconocimiento robusto del habla con micr ofonos lejanos. El uso de los m etodos convencionales para obtener los elementos decorrelados del vector de caracter sticas, como la transformada coseno discreta, est a limitado por el problema de optimizaci on inherente a REMOS, lo que har a que, utilizando las herramientas convencionales, se volviese un problema irresoluble en un tiempo razonable. Para resolver este problema hemos desarrollado un nuevo m etodo de extracci on de caracter sticas basado en fi ltrado frecuencial / Els sistemes actuals de reconeixement de la parla mostren sovint una taxa d'error acceptable si la veu es registrada amb micr ofons pr oxims a la boca del parlant, en un entorn controlat i lliure de soroll. No obstant, l' us d'aquests micr ofons pot ser massa restrictiu en moltes aplicacions. Alternativament, es poden utilitzar micr ofons distants, els quals sovint s on ubicats a diversos metres del parlant. Aquesta con guraci o es menys intrusiva, ja que el parlant no ha de portar a sobre cap micr ofon, per o el rendiment del reconeixement autom atic de la parla (ASR, de l'angl es Automatic Speech Recognition) en aquest cas es veu fortament afectat pel soroll i la reverberaci o. Aquesta tesi s'enfoca a aplicacions ASR en un ambient de sala, on la reverberaci o es la causa predominant de distorsi o i es considera tant el cas d'un sol micr ofon com el de m ultiples micr ofons. Si la parla es gravada en paral lel per diversos micr ofons distribuï ts arbitràriament a la sala, el grau de distorsi o pot variar d'un canal a l'altre. Les difer encies en qualitat entre els senyals enregistrats poden ser m es accentuades si els micr ofons tenen diferents caracter stiques i col locacions: uns a les parets, altres sobre la taula, o b e altres integrats en els aparells de comunicaci o de les persones presents a la sala. En un escenari com aquest, el sistema ASR es pot bene ciar enormement de l'utilitzaci o del senyal de m es qualitat per al reconeixement. Per a trobar aquest senyal s'han proposat diverses t ecniques, anomenades CS (de l'angl es Channel Selection), les quals es discuteixen detalladament en aquesta tesi. De fet, la selecci o de canal busca ordenar els senyals conforme a la seva qualitat des de la perspectiva ASR. Per crear tal r anquing es necessita una mesura que estimi la qualitat intr nseca d'un senyal, o b e una que valori com de b e aquest s'ajusta als models ac ustics del sistema de reconeixement. En aquesta tesi proporcionem un resum de les mesures CS ns ara presentades en la literatura, comparant-les experimentalment. A m es, es presenten diverses noves t ecniques que superen les anteriors en termes d'exactitud de reconeixement i / o e ci encia computacional. Tamb e es proposa una combinaci o de diferents mesures CS amb l'objectiu d'incrementar l'exactitud del reconeixement, o per reduir la c arrega computacional sense cap p erdua signi cativa de rendiment. A m es mostrem que la CS pot ser utilitzada juntament amb altres t ecniques robustes d'ASR, com ara matched condition training o la normalitzaci o de la varian ca i la mitjana, i que les millores de reconeixement de les dues aproximacions s on ns a cert punt acumulatives. Una versi o online en temps real del m etode de selecci o de canal basat en la varian ca de les envolvents sub-banda de la parla, desenvolupada en aquesta tesi, va ser dissenyada i implementada en una sala intel ligent. A l'hora d'avaluar experimentalment gravacions reals de micr ofons no pr oxims a la boca amb parlants en moviment, es va observar una millora signi cativa en el rendiment del reconeixement. L'altra contribuci o d'aquesta tesi, que no requereix m ultiples micr ofons, va ser desenvolupada en col laboraci o amb els col legues del departament de Comunicacions Multimedia i Processament de Senyals de la Universitat de Erlangen-Nuremberg, Erlangen, Alemanya. Tracta sobre el problema d'extracci o de caracter stiques a REMOS (de l'angl es REverberation MOdeling for Speech recognition). REMOS es un marc conceptual gen eric per al reconeixement robust de la parla amb micr ofons llunyans. L' us dels m etodes convencionals per obtenir els elements decorrelats del vector de caracter stiques, com ara la transformada cosinus discreta, est a limitat pel problema d'optimitzaci o inherent a REMOS. Aquest faria que, utilitzant les eines convencionals, es torn es un problema irresoluble en un temps raonable. Per resoldre aquest problema hem desenvolupat un nou m etode d'extracci o de caracter ístiques basat en fi ltrat frecuencial.

This thesis presents the conception, design and implementation of new topologies of multimodal microwave resonators and filters, using a combination of uniplanar technologies such as coplanar waveguide (CPW), coplanar strips (CPS) and slotlines. The term "multimodal" refers to uniplanar circuits in which the two fundamental modes of the CPW propagate (the even and the odd mode). By using both modes of the CPW, it is possible to achieve added functions, such as additional transmission zeros to increase the rejection, or to attenuate harmonic frequencies to improve the out-of-band rejection. Moreover, it is demonstrated that by using multimodal circuits, it is possible to reduce the length of of a conventional filter up to 80%. In addition to bandpass filters, new topologies of compact band-stop filters are developed. The proposed band-stop filters make use of slow-wave resonators to decrease the total area of the filters and achieve compact topologies. This work also addresses the development of synthesis techniques for each multimodal filter. The design equations were obtained from generalized multimodal circuits available in the literature, which have been adapted for each particular case and modeled as basic filter components, such as immitance inverters or lumped elements. By using the proposed synthesis equations, it is possible to design filters with a desired response and relative bandwidth. The use of the proposed synthesis enables a fast analysis and design of multimodal filters using circuit simulators. As an added feature, several reconfigurable and tunable filter topologies were demonstrated, using active devices (PIN diodes and varactors) or RF-MEMS. These new topologies demonstrate the flexibility of multimodal circuits. For the RF-MEMS-based tunable filters, different capacitive and ohmic switches were designed, fabricated and measured. As an example of the additional degrees of freedom using of RF-MEMS and multimodal CPW circuits, a reconfigurable filter using RF-MEMS switchable air-bridges as a reconfiguration device has been demonstrated in this work for the first time.

Multilevel converter technology has been receiving increasing attention during the last years due to its important advantages compared to conventional two-level conversion. Multilevel converters reduce the voltage across each semiconductor. These converters also synthesize waveforms with better harmonic spectrum, and in most cases, increasing the efficiency of the power conversion system. However, a larger quantity of semiconductors is needed and the modulation strategy to control them becomes more complex. There are three basic multilevel converter topologies: diode clamped, flying capacitor, and cascaded H-bridge with separate dc sources. Numerous hybrid configurations combining them and other multilevel topologies have also been presented in the literature. A novel multilevel active-clamped (MAC) topology is the subject of study of the present thesis. This topology is derived from the generalized multilevel topology by simply removing all flying capacitors. The topology can also be seen as an extension into an arbitrary number of levels of the three-level active neutral-point-clamped (ANPC) topology. The novel converter is controlled using a proper set of switching states and a switching state transition strategy, which permits to obtain the maximum benefits from the converter. In this thesis, the performance and operating capabilities of the MAC topology are studied through comprehensive efficiency and fault-tolerance analyses. The efficiency analysis comprises a study of power-device conduction and switching losses in the topology, followed by analytical and experimental efficiency comparisons between the MAC converter and conventional two-level converters. In the analysis of the fault-tolerance capacity of the MAC topology both open- and short-circuit faults are considered and the analysis is carried out under single-device and two-simultaneous-device faults. Switching strategies to overcome the limitations caused by faults and topology variations to increment the fault-tolerance ability of the MAC converter are proposed. The thesis also proposes guidelines to guarantee a proper MAC converter design and improve its performance.

A material that is enabling integrated optics is the ferroelectric crystal Lithium Niobate (LiNbO3), which has excellent electro-optical, acousto-optical and nonlinear optical properties. Moreover, it can be doped with laser-active ions and allows for simple fabrication of low-loss optical waveguides. The broad aim of this work is to develop and introduce advanced micro- and nano-fabrication techniques for LiNbO3 and a new class of integrated based telecommunication and sensing devices. The techniques developed include precise micro-domain inversion, etching, bonding and thin film fabrication. From a device point of view, domain inversion is used to improve the electro-optic response of LiNbO3 waveguide modulators in terms of bandwidth and driving voltage. With respect to standard single-domain structures, larger bandwidths and lower driving voltages can be obtained, thus achieving figure of merits for the electro-optic response that are up to 50% larger. As a demonstration, a chirp-free modulator, having ~2V switching voltage and bandwidth of 15 GHz, was fabricated by placing the waveguide arms of a Mach-Zehnder interferometer in opposite do- main oriented regions. The modulator could be driven in a single-drive configuration with inexpensive low-voltage drivers, e.g. a SiGe based RF amplifier, typically used for electro-absorption devices. A further aspect of this work focuses on the development of devices for the precise measurement of strong electric fields, which are typically generated in power stations and transmission lines. Therefore, two new integrated electric field sensors are proposed, each of which exploits the aforementioned micro-fabrication techniques. The first device is based on a proton-exchange waveguide at cut-off, centered on a few microns wide domain-inverted region in a z-cut LiNbO3 substrate. The sensor’s performance is demonstrated by detecting DC fields up to 2.6 MV/m and high-frequency (1.1 GHz) fields ranging from 19 V/m to 23 kV/m. The second proposed device is fabricated by direct bonding a z-cut LiNbO3 substrate on top of a cut-off proton-exchanged waveguide centered on the domain-inverted region. It is possible to detect electric fields as high as 2 MV/m at low frequency with improved sensitivity compared to the previous device. These features make the devices suitable for use in high electric field and harsh conditions without endangering the operator. The conclusions section of the Thesis presents possible future developments which will contribute to increase the impact of the work in the optical telecommunication and sensing industries. After a brief introduction, the second chapter describes the basic properties of the material used in the thesis work: Lithium Niobate (LiNbO3). This includes the properties related to its ferroelectric crystal structure and the subsequent applications. Chapter three presents the micro-fabrication techniques, over 3 inch LiNbO3 wafers, developed at ICFO during this work. The chapter begins with a description of waveguides fabrication by Annealed Proton Exchange (APE). The mid-part of the chapter outlines the fabrication procedure for domain inversion using electric field poling technique and liquid electrodes while the last part describes the bonding technique to permanently join LiNbO3 with different substrates, namely Si, SiO2 and another LiNbO3. Moreover, lapping and polishing techniques for thin plate fabrication are presented. The forth chapter firstly introduces the fundamentals and main characteristics of travelling-wave LiNbO3 Mach-Zehnder modulators. Secondly, a new modulator design is proposed. It is based on domain inverted LiNbO3, with improved performance with respect to existing devices. The modulator characterization and the results obtained from the new design are presented. The chapter five begins with a literature review about DC and low frequency electric field optical sensors. Afterwards, two novel all-optical electric field sensors are presented. Both devices are based on a proton-exchange, domain inversion and bonding techniques. The sensors characterization, including the test set-up and the performance results are discussed. Finally, in chapter six, several conclusions on the thesis work and possible future work directions are presented. / Uno de los materiales que permite el avance de la tecnología de dispositivos ópticos integrados es el niobato de litio (LiNbO3). Se trata de un cristal ferro-eléctrico, con excelentes propiedades electro-ópticas, acusto-ópticas y no lineales. Además, es posible fabricar guías de onda de bajas pérdidas mediante las técnicas de intercambio protónico (PE) y difusión de titanio. El objetivo principal de este trabajo es el desarrollo y la introducción tanto de las técnicas avanzadas de micro-nano fabricación para el niobato de litio como de nuevos dispositivos ópticos integrados para las comunicaciones ópticas y la detección de campo eléctricos de alto voltaje. La técnicas de fabricación desarrolladas incluyen inversión de dominios mediante la técnica de poling de alto voltaje, grabado, bonding y capas delgadas. Desde el punto de vista de los dispositivos, la inversión de dominios ha sido utilizada para mejorar la respuesta electro-óptica de los moduladores en LiNbO3 en términos de ancho de banda (BW) y voltaje de control (Vπ). En comparación con los moduladores comerciales actuales de un único dominio, con esta técnica es posible obtener mayores anchos de banda y menores voltajes de control resultando en un aumento del 50% del producto BW·Vπ. Para demonstrar la eficacia de la técnica desarrollada, se ha fabricado un modulador Mach-Zehnder chirp-free poniendo los brazos del interferómetro en dos regiones de dominios opuestos. De las mediciones efectuadas se han obtenidos valores de voltaje de control de 2V y ancho de banda de 15 GHz. Estos resultados muestran que los dispositivos desarrollados pueden reducir el coste total de funcionamiento, ya que permiten el uso de controladores económicos de Si-Ge que operan en el rango de los 2V. Otro aspecto de este trabajo se enfoca en el desarrollo de dispositivos para medir, de forma exacta, altos campos eléctricos, que normalmente son generados en las centrales eléctricas y en las líneas de transmisión. Por este motivo, se han desarrollado dos sensores de campo eléctrico mediante las técnicas de micro-fabricación anteriormente mencionadas. El primer dispositivo está basado en una guía fabricada mediante intercambio protónico en LiNbO3 z-cut, diseñada a la frecuencia de corte y centrada en una región de dominio invertido de 10 micras de ancho y 10mm de largo. El rendimiento del dispositivo se ha demostrado detectando campos a baja frecuencia con amplitudes de hasta 2.6MV/m y campos a la frecuencia de 1.1GHz con amplitudes desde 19V/m hasta 23kV/m. El segundo dispositivo se ha fabricado mediante bonding directo de un sustrato de LiNbO3 encima de una guía PE diseñada a la frecuencia de corte y centrada en una región de dominio invertido de 10 micras de ancho y 10mm de largo. El dispositivo se ha caracterizado a baja frecuencia y ha sido posible medir campos eléctricos de hasta 2MV/m con un aumento de sensibilidad comparado con el primer dispositivo fabricado sin la técnica del bonding. Estos resultados muestran que los dispositivos desarrollados pueden ser utilizados para mediciones de campos eléctricos intensos en condiciones peligrosas sin ningún riesgo para el operador. Después de una breve introducción en el Capítulo 1 de esta Tesis, las propiedades del LiNbO3 se discuten en el Capítulo 2, prestando especial atención a sus características ópticas y electro-ópticas. El Capítulo 3 presenta las técnicas de micro fabricación desarrolladas durante este trabajo sobre sustratos de 3 pulgadas. En particular, se presentan las técnicas de fabricación de guías mediante intercambio protónico, de inversión de dominios mediante poling de alto voltaje, de bonding de LiNbO3 con diferentes sustratos (LiNbO3 , SiO2, Si) y la fabricación de capas delgadas. El Capítulo 4 ofrece una introducción sobre los moduladores interferométricos Mach-Zehnder de onda propagada, presentando sus principales características. Además se presenta una nueva estructura de modulador basada sobre inversión de dominios y los resultados obtenidos. El Capítulo 5 empieza con una introducción sobre los sensores de campo eléctrico y después se presentan dos nuevos sensores de campo eléctrico completamente ópticos fabricados en LiNbO3 z-cut. Los dispositivos están basados en las técnicas de intercambio protónico, inversión de dominios y bonding directo. Finalmente, en el Capítulo 6 se presentan las conclusiones y posibles desarrollos futuros que pueden contribuir al aumento del impacto de este trabajo en las industrias de comunicaciones ópticas y de detección.

Els grans avenços en el camp de l’aprenentatge automàtic han resultat en el disseny de màquines competents que són capaces d’aprendre i d’extreure informació útil i original de l’experiència. Recentment, algunes d’aquestes tècniques d’aprenentatge s’han aplicat amb èxit per resoldre problemes del món real en àmbits tecnològics, mèdics, científics i industrials, els quals no es podien tractar amb tècniques convencionals d’anàlisi ja sigui per la seva complexitat o pel gran volum de dades a processar. Donat aquest èxit inicial, actualment els sistemes d’aprenentatge s’enfronten a problemes de complexitat més elevada, el que ha resultat en un augment de l’activitat investigadora entorn sistemes capaços d’afrontar nous problemes del món real eficientment i de manera escalable. Una de les famílies d’algorismes més prometedores en l’aprenentatge automàtic són els sistemes classificadors basats en algorismes genetics (LCSs), el funcionament dels quals s’inspira en la natura. Els LCSs intenten representar les polítiques d’actuació d’experts humans amb un conjunt de regles que s’empren per escollir les millors accions a realitzar en tot moment. Així doncs, aquests sistemes aprenen polítiques d’actuació de manera incremental a mida que van adquirint experiència a través de la informació nova que se’ls va presentant durant el temps. Els LCSs s’han aplicat, amb èxit, a camps tan diversos com la predicció de càncer de pròstata o el suport a la inversió en borsa, entre altres. A més en alguns casos s’ha demostrat que els LCSs realitzen tasques superant la precisió dels éssers humans. El propòsit d’aquesta tesi és explorar la naturalesa de l’aprenentatge online dels LCSs d’estil Michigan per a la mineria de grans quantitats de dades en forma de fluxos d’informació continus a alta velocitat i canviants en el temps. Molt sovint, l’extracció de coneixement a partir d’aquestes fonts de dades és clau per tal d’obtenir una millor comprensió dels processos que les dades estan descrivint. Així, aprendre d’aquestes dades planteja nous reptes a les tècniques tradicionals d’aprenentatge automàtic, les quals no estan dissenyades per tractar fluxos de dades continus i on els conceptes i els nivells de soroll poden variar amb el temps de forma arbitrària. La contribució de la present tesi pren l’eXtended Classifier System (XCS), el LCS d’estil Michigan més estudiat i un dels algoritmes d’aprenentatge automàtic més competents, com el punt de partida. D’aquesta manera els reptes abordats en aquesta tesi són dos: el primer desafiament és la construcció d’un sistema supervisat competent sobre el framework dels LCSs d’estil Michigan que aprèn dels fluxos de dades amb una capacitat de reacció ràpida als canvis de concepte i entrades amb soroll. Com moltes aplicacions científiques i industrials generen grans quantitats de dades sense etiquetar, el segon repte és aplicar les lliçons apreses per continuar amb el disseny de LCSs d’estil Michigan capaços de solucionar problemes online sense assumir una estructura a priori en els dades d’entrada. / Los grandes avances en el campo del aprendizaje automático han resultado en el diseño de máquinas capaces de aprender y de extraer información útil y original de la experiencia. Recientemente alguna de estas técnicas de aprendizaje se han aplicado con éxito para resolver problemas del mundo real en ámbitos tecnológicos, médicos, científicos e industriales, los cuales no se podían tratar con técnicas convencionales de análisis ya sea por su complejidad o por el gran volumen de datos a procesar. Dado este éxito inicial, los sistemas de aprendizaje automático se enfrentan actualmente a problemas de complejidad cada vez m ́as elevada, lo que ha resultado en un aumento de la actividad investigadora en sistemas capaces de afrontar nuevos problemas del mundo real de manera eficiente y escalable. Una de las familias más prometedoras dentro del aprendizaje automático son los sistemas clasificadores basados en algoritmos genéticos (LCSs), el funcionamiento de los cuales se inspira en la naturaleza. Los LCSs intentan representar las políticas de actuación de expertos humanos usando conjuntos de reglas que se emplean para escoger las mejores acciones a realizar en todo momento. Así pues estos sistemas aprenden políticas de actuación de manera incremental mientras van adquiriendo experiencia a través de la nueva información que se les va presentando. Los LCSs se han aplicado con éxito en campos tan diversos como en la predicción de cáncer de próstata o en sistemas de soporte de bolsa, entre otros. Además en algunos casos se ha demostrado que los LCSs realizan tareas superando la precisión de expertos humanos. El propósito de la presente tesis es explorar la naturaleza online del aprendizaje empleado por los LCSs de estilo Michigan para la minería de grandes cantidades de datos en forma de flujos continuos de información a alta velocidad y cambiantes en el tiempo. La extracción del conocimiento a partir de estas fuentes de datos es clave para obtener una mejor comprensión de los procesos que se describen. Así, aprender de estos datos plantea nuevos retos a las técnicas tradicionales, las cuales no están diseñadas para tratar flujos de datos continuos y donde los conceptos y los niveles de ruido pueden variar en el tiempo de forma arbitraria. La contribución del la presente tesis toma el eXtended Classifier System (XCS), el LCS de tipo Michigan más estudiado y uno de los sistemas de aprendizaje automático más competentes, como punto de partida. De esta forma los retos abordados en esta tesis son dos: el primer desafío es la construcción de un sistema supervisado competente sobre el framework de los LCSs de estilo Michigan que aprende de flujos de datos con una capacidad de reacción rápida a los cambios de concepto y al ruido. Como muchas aplicaciones científicas e industriales generan grandes volúmenes de datos sin etiquetar, el segundo reto es aplicar las lecciones aprendidas para continuar con el diseño de nuevos LCSs de tipo Michigan capaces de solucionar problemas online sin asumir una estructura a priori en los datos de entrada. / Last advances in machine learning have fostered the design of competent algorithms that are able to learn and extract novel and useful information from data. Recently, some of these techniques have been successfully applied to solve real-­‐world problems in distinct technological, scientific and industrial areas; problems that were not possible to handle by the traditional engineering methodology of analysis either for their inherent complexity or by the huge volumes of data involved. Due to the initial success of these pioneers, current machine learning systems are facing problems with higher difficulties that hamper the learning process of such algorithms, promoting the interest of practitioners for designing systems that are able to scalably and efficiently tackle real-­‐world problems. One of the most appealing machine learning paradigms are Learning Classifier Systems (LCSs), and more specifically Michigan-­‐style LCSs, an open framework that combines an apportionment of credit mechanism with a knowledge discovery technique inspired by biological processes to evolve their internal knowledge. In this regard, LCSs mimic human experts by making use of rule lists to choose the best action to a given problem situation, acquiring their knowledge through the experience. LCSs have been applied with relative success to a wide set of real-­‐ world problems such as cancer prediction or business support systems, among many others. Furthermore, on some of these areas LCSs have demonstrated learning capacities that exceed those of human experts for that particular task. The purpose of this thesis is to explore the online learning nature of Michigan-­‐style LCSs for mining large amounts of data in the form of continuous, high speed and time-­‐changing streams of information. Most often, extracting knowledge from these data is key, in order to gain a better understanding of the processes that the data are describing. Learning from these data poses new challenges to traditional machine learning techniques, which are not typically designed to deal with data in which concepts and noise levels may vary over time. The contribution of this thesis takes the extended classifier system (XCS), the most studied Michigan-­‐style LCS and one of the most competent machine learning algorithms, as the starting point. Thus, the challenges addressed in this thesis are twofold: the first challenge is building a competent supervised system based on the guidance of Michigan-­‐style LCSs that learns from data streams with a fast reaction capacity to changes in concept and noisy inputs. As many scientific and industrial applications generate vast amounts of unlabelled data, the second challenge is to apply the lessons learned in the previous issue to continue with the design of unsupervised Michigan-­‐style LCSs that handle online problems without assuming any a priori structure in input data.