Resumo: Atualmente, sensores de posição e orientação podem ser adquiridos e integrados com um custo relativamente baixo, fornecendo resultados promissores em aplicações como o mapeamento. Neste contexto, câmaras digitais de pequeno e médio formato proporcionam novos horizontes aos processos de mapeamento, devido às diversas vantagens sobre sistemas convencionais, como custo reduzido, pequenas dimensões, menor peso e fácil manejo. Mas, fatores como estabilidade geométrica e resolução dos sensores ainda podem se tornar limitantes para determinadas aplicações, devendo ser observados e corrigidos nos processos de produção. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo o estudo e implementação de hardware e software para permitir o sincronismo entre o receptor GPS e câmaras digitais para aplicações de mapeamento. O sincronismo baseou-se no uso do sistema operacional Linux com modificações em seu núcleo, juntamente com o software NTP, responsável por sincronizar o relógio do computador usando uma referência de tempo externa, no caso o PPS de um receptor GPS. A validação foi realizada comparando-se diretamente os instantes registrados pelo sistema comercial SPAN-CPT e a técnica proposta neste trabalho. Além disto, os Centros Perspectivos determinados pelas técnicas implementadas foram usados em experimentos com fototriangulação de um bloco de imagens, possibilitando a análise das discrepâncias da fototriangulação nos pontos de verificação. O resultado do sincronismo apresentou pequenas discrepâncias em relação ao sistema comercial, implicando na determinação das coordenadas dos CPs com boa qualidade, permitindo seu uso em mapeamento e em outras aplicações. / Abstract: Currently, position and orientation sensors can be acquired and integrated with affordable costs, providing valuable results in mapping applications. In this context, small and medium format digital cameras are offering new horizons in mapping processes, due to several advantages when compared to conventional systems, like: low cost, low size, less weight and easy of handling. However, its internal stability and resolutions can limit use in some applications. This work aims at the study and implementation of hardware and software components for synchronization of a GPS receiver and digital cameras for mapping applications. Synchronization was based on Linux operational system with a modified kernel, and NTP software, used to synchronize computer time with the GPS reference time, through the 1 PPS pulse. The validation of the implemented system was done by comparing directly the recorded events from a commercial navigation system (SPAN-CPT) and from the proposed techniques. Furthermore, the PC coordinate determined by these techniques were used in an aerial triangulation, enabling the analysis of discrepancies in the checkpoints. The result of the synchronization showed small discrepancies with the commercial system, resulting in the determination of the PC coordinates with good quality, enabling its use in mapping and several other applications. / Orientador: Antonio Maria Garcia Tommaselli / Coorientador: Paulo de Oliveira Camargo / Banca: Edson Aparecido Mitishita / Banca: Julio Kiyoshi Hasegawa / Mestre

Este trabalho apresenta estratégias de controle para a sincronização de dois sistemas não-lineares do tipo Lur'e sob controle saturante. O objetivo no uso de controlador e para que os estados de um sistema escravo sigam a referência dos estados do sistema mestre. Resultados teóricos para a síntese de controladores são propostos considerando diferentes hipóteses sobre a não-linearidade do sistema Lur'e. Primeiramente esta e tratada como uma função genérica que satisfaz globalmente uma condição de setor, enquanto que posteriormente assume-se que a função não-linear e uma função linear por partes e um modelo equivalente baseado em funções saturação e empregado para descrever os efeitos da mesma no comportamento dinâmico do sistema. São considerados, ainda, duas estrat egias de controle: realimentação estática dos estados dos sistemas e realimentação dinâmica da saída dos sistemas, incluindo neste ultimo caso elementos referentes as não-linearidades inerentes do sistema Lur'e e um elemento anti-windup. O projeto dos parâmetros de cada controlador e feito através de problemas de otimização convexa com restrições na forma de desigualdades matriciais lineares (LMI s) tendo como objetivo maximizar o conjunto de estados inicias nos quais a sincronização e assegurada. A formulação dos problemas de otimização e obtida através de inequações matriciais lineares, utilizando-se a teoria de estabilidade de Lyapunov juntamente com métodos baseados em condições de setor para assegurar a convergência assintótica do erro de sincronização para zero, i.e. garantir que os estados do sistema mestre são seguidos pelos do escravo. Os métodos propostos são ilustrados por meio de exemplos numéricos tendo como objetivo a sincronização de dois circuitos de Chua. / This work presents control strategies for the synchronization of two nonlinear Lur'e systems subject to control saturation. The objective of the use of controllers is so that the states of a slave system follow the reference of the states of the master system. Theoretical results for the synthesis of controllers are proposed considering di erent hypothesis about the nonlinearity of the Lur'e system. Initially it is considered as being a generic function that satis es globally a sector condition, while afterwards it is assumed that the non-linear function is a piecewise-linear function and an equivalent saturation function model is employed in order to describe its effect on the system's dynamic behaviour. Two controller strategies are considered: a static feedback of the system's states and a dynamic feedback of the system's output, coupled, in the last case, with elements based on the system's non-linearities and an anti-windup element is considered. The design of the parameters of each controller is generated by convex optimization problems with restrictions in the form of linear matriz inequalities (LMI) having as objective maximizing the set of initial conditions for which synchronization is guaranteed. The optimization problems are formulated by the means of linear matrix inequalities based on Lyapunov's stability theory and a sector-based approach to ensure null synchronization error, i.e. to ensure the local asymptotic convergence of the slave state to the master one. The proposed methods are illustrated by numerical examples with the objective of the synchronization of two Chua's circuits.

abstract: Practical communication systems are subject to errors due to imperfect time alignment among the communicating nodes. Timing errors can occur in different forms depending on the underlying communication scenario. This doctoral study considers two different classes of asynchronous systems; point-to-point (P2P) communication systems with synchronization errors, and asynchronous cooperative systems. In particular, the focus is on an information theoretic analysis for P2P systems with synchronization errors and developing new signaling solutions for several asynchronous cooperative communication systems. The first part of the dissertation presents several bounds on the capacity of the P2P systems with synchronization errors. First, binary insertion and deletion channels are considered where lower bounds on the mutual information between the input and output sequences are computed for independent uniformly distributed (i.u.d.) inputs. Then, a channel suffering from both synchronization errors and additive noise is considered as a serial concatenation of a synchronization error-only channel and an additive noise channel. It is proved that the capacity of the original channel is lower bounded in terms of the synchronization error-only channel capacity and the parameters of both channels. On a different front, to better characterize the deletion channel capacity, the capacity of three independent deletion channels with different deletion probabilities are related through an inequality resulting in the tightest upper bound on the deletion channel capacity for deletion probabilities larger than 0.65. Furthermore, the first non-trivial upper bound on the 2K-ary input deletion channel capacity is provided by relating the 2K-ary input deletion channel capacity with the binary deletion channel capacity through an inequality. The second part of the dissertation develops two new relaying schemes to alleviate asynchronism issues in cooperative communications. The first one is a single carrier (SC)-based scheme providing a spectrally efficient Alamouti code structure at the receiver under flat fading channel conditions by reducing the overhead needed to overcome the asynchronism and obtain spatial diversity. The second one is an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)-based approach useful for asynchronous cooperative systems experiencing excessive relative delays among the relays under frequency-selective channel conditions to achieve a delay diversity structure at the receiver and extract spatial diversity. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Electrical Engineering 2013

This master thesis is as a final project in the Division of Computer Engineering at the Department of Electrical of Engineering, Linköping University, Sweden. The purpose of the project is to set up a baseband behavioral model for a Bluetooth system based on standards. In the model, synchronization in demodulation part has been focused on. Simulation results are analyzed later in the report to see how the method in demodulation works. Some suggestions and future works for receiver are provided to improve the performances of the model.

The ubiquitous nature of symmetry lends itself to be taken for granted, however the breath of research on symmetry encompasses several disciplines. In engineering, studies centered on symmetry often address issues in dynamic systems theory, robotics, and gait rehabilitation. This thesis presents findings on two specific topics dealing with passively induced symmetry; dissimilar rotating systems and human gait. Past studies on passive symmetry in dynamic systems often incorporate physical coupling or a controller. This thesis presents a technique to passively induce symmetry between two dissimilar systems that are not physically connected. This work also presents a human gait study consisting of several elements that merge to provide a unique look at how walking symmetry and altered physical parameters (leg length and added weight) of the lower limbs are related. One aspect of this thesis shows the successful development of a general method to induce synchronization between any two dissimilar, uncoupled, rotating systems given the same degrees of freedom, initial angular dynamics, and applied torque. This method is validated with a simulation and subsequent comparison with two physical experiments. The results are in agreement, with slight variations due to the friction and damping of the physical systems. This is further expanded to include the induced symmetry of two systems that experience an external collision. Due to the highly non-linear nature of such systems, an analytical solution was not found; instead a numerical solution is presented that resulted in partial symmetry between systems. The gait study demonstrated that weighted walking and altered leg length have both independent and combined spatio-temporal effects on lower limb symmetry. While altered leg length alone resulted in higher gait asymmetry, the combination of the two physical changes increases this asymmetry to affect the same limb. This study also showed that cognitive and physically distracted walking does not have an added effect to the gait symmetry with passive physical changes. In addition, this study was able to demonstrate that the arm swinging that occurs during natural walking does not significantly alter spatial or temporal gait parameters.

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Processos de sincronização são observados em uma imensa quantidade de sistemas físicos, biológicos, químicos, tecnológicos e sociais. Tais sistemas podem ser descritos e modelados utilizando a teoria das redes complexas, de forma que o completo entendimento da emergência do comportamento coletivo nestes sistemas complexos só é alcançado por teorias que englobam a interação entre seus elementos. Nesta dissertação, estudamos a emergência de transições de fase de primeira-ordem na sincronização de osciladores acoplados através de estruturas heterogêneas e não-triviais. Utilizando teorias de campo médio, obtemos a expressão analítica do acoplamento crítico necessário para a ocorrência de sincronização explosiva em redes livre-escala. Além disso, estudamos o comportamento de tais transições na presença de atrasos temporais e verificamos que é possível elevar o grau de sincronismo dos osciladores quando a interação se dá de forma não-instantânea. Os resultados obtidos contribuem para um melhor entendimento da relação entre topologia e dinâmica em redes. / Synchronization processes are observed in many physical, biological, chemical, technological and social systems. These systems can be described and modelled through the theory of complex networks, in a way that the full comprehension of the emergence of collective behavior in these complex systems will only be achieved by theories that encompass the interaction of its elements. In this thesis, we study the emergence of first-order phase transitions in the synchronization of oscillators coupled through heterogeneous and non-trivial structures. By using mean-field theories, we obtain an analytical expression for the critical coupling necessary for the occurrence of explosive synchronization in scale-free networks. Furthermore, we study the behavior of such transitions in the presence of time delays, verifying that is possible to enhance the synchronization level of the oscillators when the interaction is non-instantaneous. The obtained results contribute for the better understanding of the interplay between topology and dynamics in networks.

Synchronization of an ensemble of oscillators is an emergent phenomenon present in several complex systems, ranging from biological and physical to social and technological systems. The most successful approach to describe how coherent behavior emerges in these complex systems is given by the paradigmatic Kuramoto model. For decades, this model has been traditionally studied in globally coupled topologies. However, besides being intrinsically dynamical, complex systems exhibit very heterogeneous structure, which can be represented as complex networks. This thesis is dedicated to the investigation of fundamental problems regarding the collective dynamics of Kuramoto oscillators coupled in complex networks. First, we address the effects on network dynamics caused by the presence of triangles, which are structural patterns that permeate real-world networks but are absent in random models. By extending the heterogeneous degree mean-field approach to a class of configuration model that generates random networks with variable clustering, we show that triangles weakly affect the onset of synchronization. Our results suggest that, at least in the low clustering regime, the dynamics of clustered networks are accurately described by tree-based theories. Secondly, we analyze the influence of inertia in the phases evolutions. More precisely, we substantially extend the mean-field calculations to second-order Kuramoto oscillators in uncorrelated networks. Thereby hysteretic transitions of the order parameter are predicted with good agreement with simulations. Effects of degree-degree correlations are also numerically scrutinized. In particular, we find an interesting dynamical equivalence between variations in assortativity and damping coefficients. Potential implications to real-world applications are discussed. Finally, we tackle the problem of two intertwined populations of stochastic oscillators subjected to asymmetric attractive and repulsive couplings. By employing the Gaussian approximation technique we derive a reduced set of ODEs whereby a thorough bifurcation analysis is performed revealing a rich phase diagram. Precisely, besides incoherence and partial synchronization, peculiar states are uncovered in which two clusters of oscillators emerge. If the phase lag between these clusters lies between zero and π, a spontaneous drift different from the natural rhythm of oscillation emerges. Similar dynamical patterns are found in chaotic oscillators under analogous couplings schemes. / Sincronização de conjuntos de osciladores é um fenômeno emergente que permeia sistemas complexos de diversas naturezas, como por exemplo, sistemas biológicos, físicos, naturais e tecnológicos. A abordagem mais bem sucedida na descrição da emergência de comportamento coletivo em sistemas complexos é fornecida pelo modelo de Kuramoto. Durante décadas, este modelo foi tradicionalmente estudado em topologias completamente conectadas. Entretanto, além de ser intrinsecamente dinâmicos, tais sistemas complexos possuem uma estrutura altamente heterogênea que pode ser apropriadamente representada por redes complexas. Esta tese é dedicada à investigação de problemas fundamentais da dinâmica coletiva de osciladores de Kuramoto acoplados em redes. Primeiramente, abordamos os efeitos sobre a dinâmica das redes causados pela presença de triângulos padrões que estão omnipresentes em redes reais mas estão ausentes em redes gerados por modelos aleatórios. Estendemos a abordagem via campo-médio para uma variação do modelo de configuração tradicional capaz de criar topologias com número variável de triângulos. Através desta abordagem, mostramos que tais padrões estruturais pouco influenciam a emergência de comportamento coletivo em redes, podendo a dinâmica destas ser descrita em termos de teorias desenvolvidas para redes com topologia local semelhante a grafos de tipo árvore. Em seguida, analisamos a influência de inércia na evolução das fases. Mais precisamente, generalizamos cálculos de campo-médio para osciladores de segunda-ordem acoplados em redes sem correlação de grau. Demonstramos que na presença de efeitos inerciais o parâmetro de ordem do sistema se comporta de forma histerética. Ademais, efeitos oriundos de correlações de grau são examinados. Em particular, verificamos uma interessante equivalência dinâmica entre variações nos coeficientes de assortatividade e amortecimento dos osciladores. Possíveis aplicações para situações reais são discutidas. Finalmente, abordamos o problema de duas populações de osciladores estocásticos sob a influência de acoplamentos atrativos e repulsivos. Através da aplicação da aproximação Gaussiana, derivamos um conjunto reduzido de EDOs através do qual as bifurcações do sistema foram analisadas. Além dos estados asíncrono e síncrono, verificamos a existência de padrões peculiares na dinâmica de tal sistema. Mais precisamente, observamos a formação de estados caracterizados pelo surgimento de dois aglomerados de osciladores. Caso a defasagem entre estes grupos é inferior a π, um novo ritmo de oscilação diferente da frequência natural dos vértices emerge. Comportamentos dinâmicos similares são observados em osciladores caóticos sujeitos a acoplamentos análogos.

A distribuição de sinais de tempo é um fator essencial em muitas aplicações de engenharia como, por exemplo, redes de telecomunicações, circuitos digitais integrados e sistemas de automação. Nas últimas décadas essa tarefa foi realizada, predominantemente, com redes mestre-escravo nas quais existem osciladores de referência que distribuem o sinal de tempo para osciladores escravos (PLLs) construídos para extrair a base de tempo a partir do sinal da linha. Recentemente, entretanto, o surgimento de redes de comunicação wire-less com conectividade dinâmica e o aumento dos tamanhos e das freqüências de operação dos circuitos digitais integrados indicam a necessidade de utilização de estratégias de distribuição de sinais de tempo baseadas em redes mutuamente conectadas. Nesse trabalho são estudadas redes mutuamente conectadas de PLLs para a determinação de condições para a obtenção do sincronismo de redes desse tipo em função dos parâmetros individuais dos nós e da conectividade da rede. Determinou-se também, através de simulações numéricas, a validade dos resultados analíticos obtidos. Finalmente foi estabelecido um método, baseado em algoritmos evolutivos, para a otimização dos parâmetros da rede considerando objetivos de robustez e capacidade de rejeição de ruídos na rede. / Clock-distribution is an essential feature in many engineering applications as, for example, telecommunications networks and digital integrated circuits. In the last few decades this problem was predominantly addressed using master-slave strategies. In this type of strategy there are precise reference oscillators in the network called masters and their signals are distributed in the network, other oscillators called slaves (PLLs) extract the time basis from the line signals. Recently the development of wireless communication networks and the increasing size of digital integrated circuits and their rising operation frequencies indicate the need for the use of mutually-connected networks for the issue of clock-distribution. In this work mutually-connected networks of PLLs are studied in order to obtain conditions for the acquisition of a synchronous state for the network concerning the node parameters and the connection pattern of the network. Furthermore, numerical experiments were conducted to validate analytic results. Finally, a method is proposed, based on evolutionary algorithms, for the optimization of the network parameters considering the robustness and the ability to reject noise in the network as objectives.

CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / This work presents a new structure for an all-digital BPSK demodulator developed for space communications that performs simultaneously the sampling and down-conversion of the the intermediate frequency signal to the baseband signal. The most important aspect of this work is the design of a new interpolator to retrieve lost samples during the down conversion process, and also to simplify the demodulator implementation. This interpolator correlates the samples of the output signal in such way that it was necessary to design a optimum filter appropriate to process the samples corrupted by gaussian and colored noise. The effects of the new interpolation at the noise are analyzed as well as the way it affects the whole demodulator performance. After performing the optimum filtering, the phase and symbol offsets are estimated and corrected. For the phase, for example, it was used a DPLL (Digital Phase Locked Loop), a digital variation of the PLL, a well known structure and largely utilized in analogical electronics. The DPLL is a closed-loop structure that estimates and corrects the values for the angular which corresponds to the phase deviation caused by the offset between the transmitter and receiver oscilators. For the timing parameter estimation, it was used the Oerder&Meyer estimator that is the digital equivalent to the well known square timing recovery structure. After that, the correction is performed by an interpolation operation over the samples of the received signal, where a filter, named Farrow filter, is applied to these samples, calculating the new samples of that signal at the corrected time instants. This system is mathematically described, all the signals expressions of every stage of the demodulator are analyzed, including the noise statistics. Some computational simulation results are shown and the performance degradation is discussed. / Este trabalho apresenta um modelo de demodulador que realiza simultaneamente a conversÃo analÃgico-digital e a conversÃo em frequÃncia por amostragem em banda passante de um sinal com modulaÃÃo BPSK (Binary Phase Shift Keying) para aplicaÃÃo em enlaces espaciais. O aspecto mais importante do trabalho foi o desenvolvimento de uma nova operaÃÃo de interpolaÃÃo para recuperaÃÃo das amostras perdidas na conversÃo de frequÃncia e que simplifica a implementaÃÃo do demodulador. O interpolador correlaciona as amostras do sinal de forma que torna-se necessÃrio o projeto de um filtro Ãtimo apropriado para processar as amostras corrompidas e mitigar os efeitos do ruÃdo gaussiano e colorido. Os efeitos deste novo interpolador no ruÃdo sÃo analisados, assim como a forma em que ele afeta a performance do sistema. ApÃs a filtragem Ãtima, segue a correÃÃo dos erros de sincronismo de atraso de simbolo e de fase. Para a recuperaÃÃo do sincronismo de fase foi utilizado um DPLL (Digital Phase Locked Loop), uma variante digital de uma estrutura bastante conhecida e utilizada em eletrÃnica analÃgica. O DPLL à uma estrutura em malha fechada que estima e corrige os valores do desvio angular das amostras, o que corresponde ao devio provocado pela diferenÃa de fase entre os osciladores do transmissor e do receptor. Para a recuperaÃÃo do atraso de sÃmbolo foi utilizada, para estimaÃÃo do tempo de atraso, o estimador de Oerder&Meyer que à o equivalente digital da conhecida recuperaÃÃo de temporizaÃÃo em tempo contÃnuo com a lei quadrÃtica. ApÃs a estimaÃÃo ser realizada, à feita a correÃÃo deste atraso nas amostras do sinal recebido atravÃs de uma operaÃÃo de interpolaÃÃo, onde novos valores do sinal sÃo calculados para os instantes de tempo corrigidos. Essa operaÃÃo à realizada por um filtro interpolador, uma estrutura especial conhecida como estrutura de Farrow. O sistema proposto foi descrito matematicamente, sendo analisadas as expressÃes dos sinais nos diferentes estÃgios do conversor, bem como as estatÃsticas dos sinais de ruÃdo. Apresentam-se os resultados da simulaÃÃo computacional nos quais se avalia a perda no desempenho do demodulador, analisando suas causas.