Tesis por compendio / [ES] Con el continuo desarrollo de materiales y tecnologías de fabricación durante las últimas tres décadas, la atenuación de la transmisión de las fibras ópticas de polímero (POF) se ha reducido considerablemente. Las POF son ventajosas para las redes domésticas, así como para las interconexiones de almacenamiento, y tienen ventajas significativas para muchas aplicaciones de detección, que incluye el límite alto de tensión elástica, alta resistencia a la fractura, alta flexibilidad en la flexión, alta sensibilidad a la tensión y coeficientes termoópticos negativos. Esta tesis consigue mejorar la tecnología de irradiación con láser para POF e investiga dispositivos especiales basados en redes de difracción en POF para comunicaciones ópticas, microondas, fotónica y detección. En particular, desarrollamos la tecnología de fabricación rápida de FBGs en POF con un estudio detallado y la optimización de los parámetros de fabricación de redes de difracción de Bragg en fibra (FBG). Los resultados más destacados incluyen un FBG uniforme de 8 dB con un solo pulso láser Nd: YAG (26 nsm) (8 ns) basado en fibra dopada con BDK, que es el tiempo más corto presentado hasta ahora para la fabricación de FBGs en POF. La irradiación de fibras ópticas de polímero utilizando diferentes materiales basado en el láser KrF a 248 nm permitió demostrar un mejor rendimiento en comparación con el sistema que emplea el láser He-Cd a 325 nm. Además, se fabricaron FBGs uniformes en POFs de índice escalón dopadas con TS en menos de 1 segundo mediante la repetición de pulsos con baja energía. Finalmente, el estudio de la irradiación UV con pulsos de baja energía para la fabricación de redes de difracción estables permitió ahorrar energía en el proceso de fabricación de FBGs en POF, como uno de los principales requisitos para la producción en masa. Basándonos en la tecnología de fabricación mejorada, nos centramos en la fabricación de redes de difracción con diferentes estructuras: se fabricó un FBG con desplazamiento de fase utilizando dos pulsos de 15 ns a 248 nm KrF superpuestos por el método de Moiré; el primer FBG con chirp sintonizable se logró utilizando un solo pulso corto del láser, que abrió nuevas perspectivas a las aplicaciones basadas en redes de difracción con chirp en POF; también se propuso un nuevo método basado en gradientes térmicos para obtener FBG con chirp en POF basadas en FBG uniformes, y se demostró como la forma más conveniente publicada hasta la fecha para lograr este tipo de FBGs no uniformes en POF; y, finalmente, también se han fabricado redes de difracción de largo período utilizando un proceso de fabricación de corto tiempo, especialmente en comparación con investigaciones anteriores. En la última parte de la tesis, y en base a los dispositivos basados en redes de difracción obtenidos a lo largo de este trabajo, se han propuesto varias aplicaciones . De manera similar a los FBG en fibra de sílice, los FBGs con chirp en POF tienen muchas aplicaciones futuras en las áreas de comunicaciones ópticas y de los sensores. Este documento describe la aplicación de detección de tensión basada en una FBG con chirp sintonizable en POF, su aplicación para detección térmica en sistemas biomédicos; e ilustra el potencial de los dispositivos de dispersión sintonizables en el campo de las comunicaciones ópticas, bien como compensación de dispersión o en fotónica de microondas. / [CA] Amb el continu desenvolupament de materials i tecnologies de fabricació durant les últimes tres dècades, l'atenuació de la transmissió de les fibres òptiques de polímer (POF) s'ha reduït considerablement. Els POF són avantatjosos per a les xarxes domèstiques, així com per a les interconnexions d'emmagatzematge, i tenen avantatges significatius per a moltes aplicacions de detecció, inclosos els límits de tensió elàstica alta, alta resistència a la fractura, alta flexibilitat en la flexió, alta sensibilitat a la tensió i potencials coeficients termoópticos negatius. Aquesta tesi va millorar la tecnologia d'irradiació amb làser per a POF i va investigar dispositius basats en xarxes difracció de Bragg (FBG) especials en POF per a comunicació òptica, microones, fotònica i detecció. En particular, desenvolupem la tecnologia de fabricació ràpida de FBG en POF amb un estudi detallat i l'optimització dels paràmetres per a la seua fabricació. Els punts destacats dels resultats inclouen un FBG uniforme de 8 dB amb un sol pols del làser Nd: YAG (266 nm) (8 ns) basat en fibra dopada amb BDK, que és el temps més curt reportat per a la fabricació de POF FBG. La irradiació de fibres òptiques de polímer utilitzant diferents materials sota el sistema de làser KrF a 248 nm va permetre demostrar un millor rendiment en comparació amb el sistema de làser Kimmon de 325 nm. A més, els FBG uniformes en el POF dopat amb TS d'índex escalonat es van aconseguir amb menys d'1 segon mitjançant la repetició de polsos de control i l'energia baixa de pols. Finalment, l'estudi de la irradiació d'energia de pols per a la fabricació de FBGs estables va permetre estalviar energia en el procés de fabricació de FBGs en POF, com un dels principals objectius de la producció en massa. Basant-nos en la tecnologia de fabricació millorada, ens centrem en la fabricació de diferents estructures de xarxes de difracció: es va fabricar un FBG amb desplaçament de fase utilitzant dos polsos de 15 ns a 248 nm KrF superposats pel mètode de Moiré; el primer FBG amb chirp sintonitzable es va aconseguir utilitzant un sol pols curt de làser, que va obrir les aplicacions basades en FBG amb chirp en POF; també es va proposar un nou mètode amb gradients tèrmics per a obtindre FBG en POF basat en FBG uniformes, i es va demostrar com la forma més convenient publicada fins hui per a aconseguir FBG POF estimulada; i, finalment, també s'han aconseguit xarxes de llarg període utilitzant un procés de fabricació de curt temps, especialment en comparació amb investigacions anteriors. Finalment, sobre la base dels dispositius de xarxes de difracció obtinguts al llarg d'aquest treball, s'han proposat diverses aplicacions potencials en aquesta tesi. De manera similar que per als FBG amb silici, el FBG amb chirp en POF té moltes aplicacions potencials en comunicacions òptiques i a l¿àrea de sensors. Aquest document descriu l'aplicació de detecció de tensió basada en FBG amb chirp sintonitzable en POF; a més, l'aplicació de detecció tèrmica en sistemes biomèdics; i el potencial dels dispositius de dispersió sintonitzables en les comunicacions òptiques, com per eixample a la compensació de dispersió o a la fotònica de microones. / [EN] With the continuing development of material and fabrication technologies over the last three decades, the transmission attenuation of polymer optical fibers (POF) has been greatly decreased. POFs are advantageous for home networks as well as storage interconnections and have significant advantages for many sensing applications, including high elastic strain limits, high fracture toughness, high flexibility in bending, high sensitivity to strain and potential negative thermo-optic coefficients. This thesis improved the laser irradiation technology for POF and investigated special grating devices in POF for optical communication, microware photonics and sensing. In particular, we developed fast POF grating fabrication technology with a detailed study and optimization of the polymer optical fiber Bragg grating (POFBG) fabrication parameters. Highlights of the results include an 8 dB uniform POFBG with one single Nd:YAG (266nm) laser pulse (8 ns) based on BDK doped fiber, which is the shortest time ever reported for POFBG fabrication. The irradiation of polymer optical fibers using different materials under 248 nm KrF laser system allowed to demonstrate a better performance compared with 325 nm Kimmon laser system. Furthermore, uniform FBGs in step-index TS doped POF were achieved with less than 1 second by means of controlling pulse repetition and low pulse energy. Finally, the study of low UV pulse power irradiation for fabricating stable gratings allowed to save energy in the POF grating fabrication process, as one of the main goals for mass production. Based on the improved fabrication technology, we focused on the fabrication of different grating structures: a phase-shifted FBG was fabricated by using two 15 ns 248 nm KrF pulses overlapped by Moiré method; the first tunable chirped FBG was achieved by using a single laser short pulse, which opened the applications based on chirped POF BGs; also a novel thermal annealing method was proposed to obtain chirped POFBGs based on uniform FBGs, and proved as the ever published most convenient way to achieve chirped POFBG; and finally, long period gratings have been also achieved by using a short time fabrication process, specially when compared with previous research. Finally, based on the grating devices obtained throughout this work, several potential applications have been proposed in this thesis. Similarly, to silica chirped FBG, chirped FBG in POF have many potential applications in optical communications and sensing area. This document described the potential strain sensing application based on tunable chirped POFBG; also, the thermal detection application in bio-medical systems; and the potential of tunable dispersion devices in optical communications, i.e., dispersion compensation or microwave photonics. / Min, R. (2019). Polymer optical fiber gratings for microwave photonics and communications application [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/125473 / Compendio

[ES] La tecnologia en fases de paquets es va convertir en dècades enrere en la indústria del radar. Avui en dia, la matriu de fases o la formació de bigues s'està convertint en una necessitat per a la comunicació digital. L'explotació d'un sistema de transmissió de feixos ajudarà a reduir el consum total d'energia de les estacions base i dels equips d'usuaris. També permetrà al servei oferir dades molt més elevades i millorar la qualitat del servei. La investigació sobre la comunicació digital i la comunicació requereix una antena i un maquinari compatible. El maquinari hauria de ser capaç de gestionar diferents escenaris i enfocaments per a problemes de comunicació mòbil. Hi ha diversos sistemes utilitzats per a la investigació de la formació de bigues, especialment per a la comunicació mòbil. Aquests sistemes pateixen de diverses deficiències. Són cares d'implementar, no adaptatives i fixades a una arquitectura relacionada amb determinat algorisme de generació de feixos o amb un nombre d'elements d'array fix. En aquesta tesi es proposa un nou sistema de matrius per fases. Aquest sistema es podria explotar per a la investigació en problemes de comunicació mòbil o radar. Està compost per una xarxa d'antenes planes de 8x1, canals de conversió de RF a banda base i processador de banda base. Es fa una estimació de la transformació de fases i de la DOA en mostres digitals de banda base. Això proporciona al sistema dinàmica quant als algorismes provats. Amb aquesta finalitat, es fan servir juntes SDR àgils per adquirir senyals de la matriu d'antenes i convertir-les en fluxos de dades digitals. Els fluxos de dades es processen després en un processador de banda base basat en FPGA. A més de ser baixos en costos i assequibles per part de petits instituts d'investigació i investigacions independents, el sistema es pot ajustar per portar més elements de matriu d'antenes. La matriu monopola plana de 8x1 està dissenyada, simulada i mesurada. Es combinen i descriuen les característiques d'impedància i de radiació. Els SDR s'introdueixen i es calibren per al funcionament de diversos elements i s'introdueixen els mètodes de calibratge per incerteses de fase i amplitud. El rendiment global del sistema es prova mitjançant diferents algorismes de formulació de feixos i algorismes de direcció d'estimació d'arribada. Els resultats de la mesura mostren que el sistema és fiable. S'aconsegueix un model de beamformació amb bona resolució i un rebuig elevat de la interferència. La estimació de la direcció d'arribada és precisa. / [CA] La tecnología de matriz en fase hizo una rotación en la industria del radar hace décadas. Hoy en día, la matriz en fase, o formación de haz, se está convirtiendo en una necesidad para la comunicación digital. La explotación de la formación de haz ayudaría a reducir el consumo de energía general de las estaciones base y el equipo del usuario. También permitirá que el servicio brinde datos mucho más altos y mejore la calidad del servicio. La investigación sobre la formación y comunicación de haces digitales requiere un conjunto de antenas y hardware compatible. El hardware debe ser capaz de manejar diferentes escenarios y enfoques para problemas de comunicación móvil. Hay varios sistemas utilizados para la investigación de conformación de haz, especialmente para la comunicación móvil. Estos sistemas sufren de varias deficiencias. Son costosos de implementar, no adaptativos y fijos a una arquitectura relacionada con cierto algoritmo de conformación de haz o con un número de elementos de arreglo fijo. En esta tesis, se propone un nuevo sistema matricial por fases. Este sistema podría ser explotado para la investigación en comunicaciones móviles o problemas de radar. Está compuesto por un conjunto de antenas planas de 8x1, canales de conversión de RF a banda base y procesador de banda base. La formación de haz y la estimación de DOA se realizan en muestras digitales de banda base. Esto proporciona al sistema dinamismo con respecto a los algoritmos probados. Para ese propósito, las tarjetas SDR ágiles se utilizan para adquirir señales de la red de antenas y convertirlas en flujos de datos digitales. Los flujos de datos se procesan en un procesador de banda base basado en FPGA. Además de ser de bajo costo y asequible para los pequeños institutos de investigación e investigaciones independientes, el sistema se puede ajustar para llevar más elementos de la red de antenas. El conjunto monopolo plano 8x1 está diseñado, simulado y medido. La correspondencia de impedancia y las características de radiación se representan y describen. Los SDR se introducen y se calibran para la operación de elementos múltiples y se introducen los métodos de calibración para las incertidumbres de fase y amplitud. El rendimiento general del sistema se prueba mediante diferentes algoritmos de conformación de haz y algoritmos de estimación de la dirección de llegada. Los resultados de las mediciones muestran que el sistema es confiable. Se logra una conformación de haz con buena resolución y alto rechazo de interferencia. Dirección de estimación de la llegada es precisa. / [EN] Phased array technology made a turnover in radar industry decades ago. Nowadays, phased array, or beamforming, is becoming a necessity for digital communication. Exploiting beamforming would help in reducing the overall power consumption of base stations and user equipment. It will also enables the service to provide much higher datarates and enhance the quality of service. Research on digital beamforming and communication requires antenna array and compatible hardware. The hardware should be capable of handling different scenarios and approaches for mobile communication problems. There are several systems used for beamforming research especially for mobile communication. These systems suffer from several deficiencies. They are either expensive to implement, not adaptive and fixed to an architecture related to certain beamforming algorithm or with fixed array elements number. In this thesis, a new phased array system is proposed. This system could be exploited for research in mobile communication or radar problems. It is composed of 8x1 planar antenna array, RF to baseband conversion channels and base band processor. Beamforming and DOA estimation is done on base band digital samples. This provides the system with dynamicity regarding tested algorithms. For that purpose, agile SDR boards are used to acquire signals from antenna array and convert them to digital data streams. Data streams are then processed in an FPGA based base band processor. In addition to being low in cost and affordable by small research institutes and freelancing researches, the system can be adjusted to carry more antenna array elements. The 8x1 planar monopole array is designed, simulated and measured. Impedance matching and radiation characteristics are plotted and described. SDRs are introduced and calibrated for multi-element operation and calibration method for phase and amplitude uncertainties are introduced. Overall system performance is tested by different beamforming algorithms and direction of arrival estimation algorithms. Measurement results show that the system is reliable. Beamforming with good resolution and high interference rejection is achieved. Direction of arrival estimation is accurate. / Haroun, MH. (2019). 8×1 Antenna Array System for Uplink Beamforming in LTE-A and 5G NR [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/129852

[ES] En este trabajo se ha realizado la detección de analitos implicados en el sector sanitario (trombina) e industria alimentaria (alérgenos y patógenos), mediante el uso de un sistema de biosensado fotónico. Este sistema desarrollado por el equipo de LUMENSIA Sensors, emplea la tecnología de chips fotónicos de nitruro de silicio (Si3N4), basados en estructuras de anillos resonantes (RR). Las estrategias de funcionalización química e inmovilización de biomoléculas como aptámeros (fragmentos de ADN de cadena sencilla) y anticuerpos, se han realizado sobre superficies planas de Si3N4 para la detección de analitos, como paso previo a las medidas fotónicas. Por tanto, estas estrategias se han implementado en la preparación del chip fotónico para las medidas en un entorno de laboratorio (set-up). En cuanto a la estrategia aplicada, ésta consiste en la activación química de la superficie del sensor. Después sobre los RR del chip, cuyo tamaño es del orden de las micras, se inmoviliza la sonda de captura (anticuerpo o aptámero), siendo ésta la encargada de reconocer específicamente al analito de interés (trombina, alérgeno o patógeno). En los resultados obtenidos de trombina, se ha elaborado un estudio para la detección de trombina en el seno de diferentes matrices biológicas sobre superficies planas de Si3N4, además del control sobre la activación de una muestra de sangre mediante el uso de factor tisular (TF) y cloruro de calcio (CaCl2). Estos resultados han servido como un estudio preliminar a la optimización del aptámero empleado como sonda de captura, específico de la trombina para su detección sobre chips fotónicos. En lo referente a la detección de alérgenos, se han empleado dos estrategias claramente diferenciadas. Por un lado, la utilización de aptámeros como sondas de captura en la detección del Ovomucoide (OVO) y la Gliadina (GLN) sobre superficies planas Si3N4. Por otro lado, la implementación de anticuerpos monoclonales como moléculas biológicas de captura sobre chips fotónicos, se ha llevado a cabo en la detección de los alérgenos Gliadina (GLN) y caseína (CAS), cuyos resultados han dado lugar a una recta de calibrado. Asimismo, se ha realizado un ensayo para la detección de GLN en muestra real, procedente de un extracto cárnico con gluten de trigo. En cuanto a la detección de patógenos, se han utilizado dos tipos de estrategias, al igual que para los alérgenos. En primer lugar, el uso de aptámeros como sondas de captura han dado como resultado la detección de dos cepas de carácter no patogénico de la bacteria E.coli (Origami y XL1BLUE) sobre superficies planas de Si3N4. En segundo lugar, la utilización de un anticuerpo policlonal como sonda de captura, se ha inmovilizado sobre la superficie del chip fotónico para la detección del Circovirus Porcino tipo 2 (PCV2) en un estudio realizado sobre la dosis dependencia del virus a diferentes factores de dilución. Finalmente, el desarrollo de una plataforma de sensado para la detección de los analitos (trombina, alérgenos y patógenos) y donde se vayan a implementar los diferentes biosensores está en proceso. / [CA] En aquest treball s'ha realitzat la detecció d'anàlits implicats en el sector sanitari (trombina) i indústria alimentària (al·lergògens i patògens), mitjançant l'ús d'un sistema de biosensat fotònic. Aquest sistema desenvolupat per l'equip de LUMENSIA Sensors, empra la tecnologia de xips fotònics de nitrur de silici (Si3N4), basats en estructures d'anells ressonants (RR). Les estratègies de funcionalització química i immobilització de biomolècules com aptàmers (fragments d'ADN de cadena senzilla) i anticossos, s'han realitzat sobre superfícies planes de Si3N4 per a la detecció d'anàlits, com a pas previ a les mesures fotòniques. Per tant, aquestes estratègies s'han implementat en la preparació del xip fotònic per a les mesures en un entorn de laboratori (set-up). Quant a l'estratègia aplicada, aquesta consisteix en l'activació química de la superfície del sensor. Després sobre els RR del xip, la grandària del qual és de l'ordre de les micres, s'immobilitza la sonda de captura (anticòs o aptàmer), sent aquesta l'encarregada de reconèixer específicament a l'anàlit d'interés (trombina, al·lergogen o patogen). En els resultats obtinguts de trombina, s'ha elaborat un estudi per a la detecció de trombina en el si de diferents matrius biològiques sobre superfícies planes de Si3N4, a més del control sobre l'activació d'una mostra de sang mitjançant l'ús de factor tissular (TF) i clorur de calci (CaCl2). Aquests resultats han servit com un estudi preliminar a l'optimització del aptàmer empleat com sonda de captura, específic de la trombina per a la seua detecció sobre xips fotònics. Referent a la detecció d'al·lergògens, s'han emprat dues estratègies clarament diferenciades. D'una banda, la utilització de aptàmers com sondes de captura en la detecció del Ovomucoide (OVO) i la Gliadina (GLN) sobre superfícies planes Si3N4. D'altra banda, la implementació d'anticossos monoclonals com a molècules biològiques de captura sobre xips fotònics, s'ha dut a terme en la detecció dels al·lergògens Gliadina (GLN) i caseïna (CAS), els resultats de la qual han donat lloc a una recta de calibrat. Així mateix, s'ha realitzat un assaig per a la detecció de GLN en mostra real, procedent d'un extracte carni amb gluten de blat. Quant a la detecció de patògens, s'han utilitzat dos tipus d'estratègies, igual que per als al·lergògens. En primer lloc, l'ús de aptàmers com sondes de captura han donat com a resultat la detecció de dos ceps de caràcter no patogènic del bacteri E.coli (Origami i XL1BLUE) sobre superfícies planes de Si3N4. En segon lloc, la utilització d'un anticòs policlonal com sonda de captura, s'ha immobilitzat sobre la superfície del xip fotònic per a la detecció del Circovirus Porcí tipus 2 (PCV2) en un estudi realitzat sobre la dosi dependència del virus a diferents factors de dilució. Finalment, el desenvolupament d'una plataforma de sensat per a la detecció dels anàlits (trombina, al·lergògens i patògens) i on es vagen a implementar els diferents biosensors està en procés. / [EN] In this work the detection of analytes involved in the health sector (thrombin) and food industry (allergens and pathogens) has been carried out, through the use of a photonic biosensing system. This system, developed by the LUMENSIA Sensors team, uses the technology of silicon nitride (Si3N4) photonic chips, based on resonant ring structures (RR). The strategies of chemical functionalization and immobilization of biomolecules such as aptamers (single chain DNA fragments) and antibodies, have been performed on flat surfaces of Si3N4 for the detection of analytes, as a previous step to photonic measurements. Therefore, these strategies have been implemented in the preparation of the photonic chip for measurements in a laboratory environment (set-up). Refering to the strategy applied, it consists of the chemical activation of the sensor surface. Then on the RR of the chip, whose size is of the order of microns, the capture probe (antibody or aptamer) is immobilized, being the one in charge of specifically recognizing the analyte of interest (thrombin, allergen or pathogen). In the results obtained from thrombin, a study for the detection of thrombin in different biological matrices on flat surfaces of Si3N4 has been developed, in addition to the control on the activation of a blood sample through the use of tissue factor (TF) and calcium chloride (CaCl2). These results have served as a preliminary study to the optimization of the aptamer used as a capture probe, specific for thrombin for detection on photonic chips. Regarding the detection of allergens, two clearly differentiated strategies have been used. On the one hand, the use of aptamers as capture probes in the detection of Ovomucoid (OVO) and Gliadin (GLN) on Si3N4 flat surfaces. On the other hand, the implementation of monoclonal antibodies as biological capture molecules on photonic chips has been carried out in the detection of the allergens Gliadina (GLN) and casein (CAS), whose results have resulted in a calibration line. Likewise, an assay for the detection of GLN in real sample, from a meat extract with wheat gluten, has been carried out. As for the detection of pathogens, two types of strategies have been used, as for allergens. First, the use of aptamers as capture probes has resulted in the detection of two non-pathogenic strains of the E.coli bacteria (Origami and XL1BLUE) on flat surfaces of Si3N4. Secondly, the use of a polyclonal antibody as a capture probe has been immobilized on the surface of the photonic chip for the detection of Porcine Circovirus type 2 (PCV2) in a study on the dose dependence of the virus at different dilution factors. Finally, the development of a sensing platform for the detection of analytes (thrombin, allergens and pathogens) and where the different biosensors are going to be implemented is in process. / Quiero agradecer al Instituto de Salud Carlos III por el contrato i-PFIS concedido / Sánchez Sánchez, C. (2019). Sistema de biosensado fotónico para la detección de trombina, alérgenos y patógenos. funcionalización química de chips fotónicos basados en estructuras de anillos resonantes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/133060

[ES] El procesado de señal sobre grafos es un campo emergente de técnicas que combinan conceptos de dos áreas muy consolidadas: el procesado de señal y la teoría de grafos. Desde la perspectiva del procesado de señal puede obtenerse una definición de la señal mucho más general asignando cada valor de la misma a un vértice de un grafo. Las señales convencionales pueden considerarse casos particulares en los que los valores de cada muestra se asignan a una cuadrícula uniforme (temporal o espacial). Desde la perspectiva de la teoría de grafos, se pueden definir nuevas transformaciones del grafo de forma que se extiendan los conceptos clásicos del procesado de la señal como el filtrado, la predicción y el análisis espectral. Además, el procesado de señales sobre grafos está encontrando nuevas aplicaciones en las áreas de detección y clasificación debido a su flexibilidad para modelar dependencias generales entre variables. En esta tesis se realizan nuevas contribuciones al procesado de señales sobre grafos. En primer lugar, se plantea el problema de estimación de la matriz Laplaciana asociada a un grafo, que determina la relación entre nodos. Los métodos convencionales se basan en la matriz de precisión, donde se asume implícitamente Gaussianidad. En esta tesis se proponen nuevos métodos para estimar la matriz Laplaciana a partir de las correlaciones parciales asumiendo respectivamente dos modelos no Gaussianos diferentes en el espacio de las observaciones: mezclas gaussianas y análisis de componentes independientes. Los métodos propuestos han sido probados con datos simulados y con datos reales en algunas aplicaciones biomédicas seleccionadas. Se demuestra que pueden obtenerse mejores estimaciones de la matriz Laplaciana con los nuevos métodos propuestos en los casos en que la Gaussianidad no es una suposición correcta. También se ha considerado la generación de señales sintéticas en escenarios donde la escasez de señales reales puede ser un problema. Los modelos sobre grafos permiten modelos de dependencia por pares más generales entre muestras de señal. Así, se propone un nuevo método basado en la Transformada de Fourier Compleja sobre Grafos y en el concepto de subrogación. Se ha aplicado en el desafiante problema del reconocimiento de gestos con las manos. Se ha demostrado que la extensión del conjunto de entrenamiento original con réplicas sustitutas generadas con los métodos sobre grafos, mejora significativamente la precisión del clasificador de gestos con las manos. / [CAT] El processament de senyal sobre grafs és un camp emergent de tècniques que combinen conceptes de dues àrees molt consolidades: el processament de senyal i la teoria de grafs. Des de la perspectiva del processament de senyal pot obtindre's una definició del senyal molt més general assignant cada valor de la mateixa a un vèrtex d'un graf. Els senyals convencionals poden considerar-se casos particulars en els quals els valors de la mostra s'assignen a una quadrícula uniforme (temporal o espacial). Des de la perspectiva de la teoria de grafs, es poden definir noves transformacions del graf de manera que s'estenguen els conceptes clàssics del processament del senyal com el filtrat, la predicció i l'anàlisi espectral. A més, el processament de senyals sobre grafs està trobant noves aplicacions en les àrees de detecció i classificació a causa de la seua flexibilitat per a modelar dependències generals entre variables. En aquesta tesi es donen noves contribucions al processament de senyals sobre grafs. En primer lloc, es planteja el problema d'estimació de la matriu Laplaciana associada a un graf, que determina la relació entre nodes. Els mètodes convencionals es basen en la matriu de precisió, on s'assumeix implícitament la gaussianitat. En aquesta tesi es proposen nous mètodes per a estimar la matriu Laplaciana a partir de les correlacions parcials assumint respectivament dos models no gaussians diferents en l'espai d'observació: mescles gaussianes i anàlisis de components independents. Els mètodes proposats han sigut provats amb dades simulades i amb dades reals en algunes aplicacions biomèdiques seleccionades. Es demostra que poden obtindre's millors estimacions de la matriu Laplaciana amb els nous mètodes proposats en els casos en què la gaussianitat no és una suposició correcta. També s'ha considerat el problema de generar senyals sintètics en escenaris on l'escassetat de senyals reals pot ser un problema. Els models sobre grafs permeten models de dependència per parells més generals entre mostres de senyal. Així, es proposa un nou mètode basat en la Transformada de Fourier Complexa sobre Grafs i en el concepte de subrogació. S'ha aplicat en el desafiador problema del reconeixement de gestos amb les mans. S'ha demostrat que l'extensió del conjunt d'entrenament original amb rèpliques substitutes generades amb mètodes sobre grafs, millora significativament la precisió del classificador de gestos amb les mans. / [EN] Graph signal processing appears as an emerging field of techniques that combine concepts from two highly consolidated areas: signal processing and graph theory. From the perspective of signal processing, it is possible to achieve a more general signal definition by assigning each value of the signal to a vertex of a graph. Conventional signals can be considered particular cases where the sample values are assigned to a uniform (temporal or spatial) grid. From the perspective of graph theory, new transformations of the graph can be defined in such a way that they extend the classical concepts of signal processing such as filtering, prediction and spectral analysis. Furthermore, graph signal processing is finding new applications in detection and classification areas due to its flexibility to model general dependencies between variables. In this thesis, new contributions are given to graph signal processing. Firstly, it is considered the problem of estimating the Laplacian matrix associated with a graph, which determines the relationship between nodes. Conventional methods are based on the precision matrix, where Gaussianity is implicitly assumed. In this thesis, new methods to estimate the Laplacian matrix from the partial correlations are proposed respectively assuming two different non-Gaussian models in the observation space: Gaussian Mixtures and Independent Component Analysis. The proposed methods have been tested with simulated data and with real data in some selected biomedical applications. It is demonstrate that better estimates of the Laplacian matrix can be obtained with the new proposed methods in cases where Gaussianity is not a correct assumption. The problem of generating synthetic signal in scenarios where real signals scarcity can be an issue has also been considered. Graph models allow more general pairwise dependence models between signal samples. Thus a new method based on the Complex Graph Fourier Transform and on the concept of subrogation is proposed. It has been applied in the challenging problem of hand gesture recognition. It has been demonstrated that extending the original training set with graph surrogate replicas, significantly improves the accuracy of the hand gesture classifier. / Belda Valls, J. (2022). Nuevas contribuciones a la teoría y aplicación del procesado de señal sobre grafos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191333

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El problema de detección de series temporales multivariadas surge en aplicaciones tan dispares como radar, sonar, ingeniería biomédica o comunicaciones. Aunque, sin lugar a dudas, dos de las aplicaciones más importantes en la actualidad son el sensado espectral multiantena para radio cognitiva (CR) y las redes de sensores. En el primer caso, el objetivo consiste en detectar bandas del espectro vacías, para permitir la transmisión oportunista de usuarios secundarios. En el segundo, a partir de las señales adquiridas por un conjunto de sensores, se quiere determinar qué modelo ha generado dichas observaciones. Los problemas de detección multicanal se pueden resolver de diferentes maneras en función de la información a priori disponible. En concreto, en esta Tesis se consideran los detectores basados en la estructura espacial, que es una característica especialmente interesante dado que permite desarrollar tests que necesitan muy poca información a priori sobre las señales. / The multiple-channel signal detection problem appears in many applications, such as radar and sonar, bioengineering, or communications. Nevertheless, two of the most important applications nowadays are multiantenna spectrum sensing and sensor networks. In the first case, we must detect frequency sub-bands which are not occupied, to allow the opportunistic transmission of secondary users. In the second case, the goal consists in determining, from a set of observations, the model which better explains the data. Multiple-channel detection problems may be solved following different approaches depending on the available information. Concretely, in this Thesis, spatial-structure based detectors are considered, providing tests that use no or very limited a priori information about the signal to be detected.

En esta Tesis Doctoral se presenta el método determinístico de alta frecuencia denominado Modi_ed Equivalent Current Approximation (MECA). Su ámbito de aplicación se circunscribe al cálculo de niveles de campo electromagnético a partir de unas corrientes equivalentes, tanto eléctricas como magnéticas, para un escenario eléctricamente grande. Se trata de una extensión de la formulación clásica de Óptica Física para la consideración no solo de super_cies de tipo conductor eléctrico perfecto sino también dieléctrico o con pérdidas.El método MECA debe ser complementado por un algoritmo de cálculo de visibilidades para distinguir entre zonas iluminadas y en sombra desde un punto de vista. En consonancia con ello se evalúan cuatro distintas metodologías, de las cuales tres son nuevas (Método Cono, Método Pirámide y Método Recorte) y la restante, Binary Space Partitioning, se emplea como referencia.La validación se efectúa a partir del cómputo de la sección recta radar de diversas geometrías canónicas y se contrasta con sus expresiones analíticas o bien con los resultados provistos por la técnica de onda completa basada en el Método de los Momentos. Adicionalmente se contemplan diferentes aspectos de interés ligados a MECA, como el efecto de la polarización o el ángulo de incidencia.La inclusión de métodos de aceleración basados en división en dominios o limitación en alcance y la descripción de la herramienta de cálculo de cobertura radioeléctrica desarrollada dan paso a los ejemplos de aplicación. Estos consisten en una optimización de una red GSM/GPRS en un entorno rural y una diagnosis en un entorno urbano con dos estaciones transmisoras de radio. También se muestra un escenario para evaluar el comportamiento en interiores.

OBJETIVOS.El objetivo global de la presente tesis doctoral consiste en el estudio de la incorporación de las características de sintonizabilidad y ajuste en estructuras integradas analógicas de tiempo continuo para filtrado de señal. La tesis se ha concentrado en el diseño, implementación, caracterización experimental y modelizado de un sistema de sintonía automática para un filtro pasa-banda de tiempo continuo que permite la sintonía tanto de su frecuencia central como de su factor de calidad.A tenor de las motivaciones, los antecedentes históricos y la contextualización en el estado del arte, se han planteado como principales objetivos particulares del presente trabajo de investigación los siguientes aspectos:- Partiendo de una topología de filtrado MOSFET-C fijada al comienzo de la tesis, proponer una mejora de la estructura original para conseguir independizar los lazos de control de la frecuencia central y del factor de calidad y obtener una estructura completamente balanceada. Asimismo se pretende incorporar la célula MRC (MOS Resistive Circuit) a la topología de manera que permita el control electrónico de los parámetros de la misma.- Obtener un modelo completo de la estructura MRC, que contemple todos los aspectos posibles de su comportamiento no lineal.- Diseñar y realizar un filtro microelectrónico analógico de tiempo continuo con sintonía automática on-chip, con el consiguiente proceso de integración sobre silicio de estas estructuras mediante herramientas CAD, y su posterior validación funcional a través tanto de resultados de simulación post-layout como de resultados experimentales en el laboratorio.- Como último objetivo, se considera la propuesta de un proceso sistemático y general para el modelizado en pequeña señal de filtros con capacidad de sintonía automática, con el fin de realizar un estudio de estabilidad local del sistema. Dicho estudio genérico se pretende complementar con el diseño de los controladores para los lazos de control de la frecuencia central y del factor de calidad del filtro particular presentado en la presente tesis.METODOLOGÍA, FASES DEL TRABAJO Y RESULTADOS.La metodología ha consistido en enmarcar históricamente el trabajo realizado en técnicas de filtrado, así como presentar la situación actual del estado del arte, incluyendo explícitamente una revisión de los diversos métodos de sintonía que en los últimos años han aparecido publicados. El estudio se acompaña de una crítica sobre los métodos analizados, donde se ponen de relieve los puntos fuertes y débiles que se han observado.A continuación se ha llevado a cabo un estudio detallado del comportamiento y modelizado del MRC, para así conocer con exactitud los efectos no deseados que puede presentar esta célula, y prever cómo influirán sobre las características del filtro de tiempo continuo a sintonizar. Por un lado, se ha determinado el comportamiento no lineal de la célula MRC, y se ha puesto de manifiesto cómo el popular modelo BSIM3 no modeliza adecuadamente el transistor MOS, pues muestra un comportamiento no simétrico que no corresponde con la natural simetría de la célula. Se ha propuesto, tras el estudio de modelos alternativos al BSIM3 para el transistor como es el caso del EKV, una modificación del modelo BSIM3 que permite corregir la deficiencia detectada.El estudio en profundidad del MRC que se presenta se ha concluido con la propuesta de un nuevo modelo para el mismo que no sólo contempla el efecto no lineal introducido por la no igualdad de sus terminales de salida, sino también el efecto de la movilidad no constante de los portadores, función del campo eléctrico transversal en el transistor MOS. Este estudio ha permitido además obtener unas recomendaciones de diseño para circuitos que incluyan la célula MRC, de las que la más destacada es la necesidad de ser usado en circuitos completamente balanceados (fully-balanced).A continuación se ha realizado el estudio, diseño e implementación de un filtro pasa-banda CMOS de segundo orden con su sistema de ajuste on-chip. Se propone la modificación introducida en el filtro TQE (Transimpedance Q-Enhancement) que permite independizar el proceso de sintonía del factor de calidad de la sintonía de su frecuencia central. Se han descrito los lazos de sintonía de frecuencia y factor de calidad implementados, con detalles sobre aquellos bloques novedosos que se plantean en la presente tesis, como son la realización de los detectores de amplitud con células multiplicadoras MRC, o la propuesta de un circuito desfasador que permite realizar un desfase de -90º a una frecuencia sintonizable a través de una tensión de control.Seguidamente se han presentado las simulaciones pertinentes y los resultados experimentales que corroboran la funcionalidad del prototipo del filtro diseñado con sus correspondientes lazos de sintonía, que se ha implementado en una tecnología CMOS de 0.8 m. Los resultados han permitido validar la funcionalidad del filtro y su sistema de autoajuste tanto en frecuencia como en factor de calidad.Finalmente se ha propuesto el proceso sistemático general para el modelizado lineal en pequeña señal de filtros analógicos de tiempo continuo que posean capacidad de sintonía automática mediante ajuste de sus constantes de tiempo, y recoge el caso particular del modelizado lineal para pequeña señal del conjunto filtro más lazos de control considerado en la presente tesis, con el fin de realizar un estudio de estabilidad local alrededor del punto de trabajo. A partir de dicho modelo se proponen sendos controladores para la sintonía de frecuencia y del factor de calidad, que mejoran las prestaciones del sistema de sintonía automática.CONCLUSIONES Y VALORACIÓN DE RESULTADOS.Un resultado destacado que se deriva de este trabajo es el análisis detallado y la propuesta de un nuevo modelo para la célula MRC (MOS Resistive Circuit). El resultado de dicho estudio ha sido citado por R.L. Geiger et al. en Electronics Letters, vol. 37 (nº23): pp. 1386-1387, Noviembre del 2001 ([SCH01]).Por otra parte, el análisis y diseño del filtro paso banda de segundo orden que se ha implementado en tecnología CMOS 0.8 m, y el estudio detallado de su comportamiento han permitido la realización de varias propuestas entre las que destacan la nueva estructura de filtrado basada en la denominada TQE, y el diseño de amplificadores operacionales y células MRC específicos para la aplicación requerida.En cuanto a los lazos de sintonía que se han diseñado e implementado se pueden destacar las siguientes conclusiones y realizaciones:- Se ha presentado una estructura consistente en un desfasador sintonizable, necesaria en la sintonía de frecuencia, que implementa un par polo-cero simétrico respecto el eje j del plano s, gracias, por un lado, a la fácil realización de resistencias negativas mediante la célula MRC y, por otro, a la posibilidad de sintonía del mismo.- Se han propuesto y realizado comparadores con diferentes niveles de tensión de salida, según las necesidades de la situación en el circuito donde estén destinados.- Se ha diseñado e implementado una estructura de sintonía que es eficaz y a la vez no excesivamente compleja comparada con la estructura del filtro principal, cuyos parámetros (frecuencia y factor de calidad) desean ser ajustados.- Se ha utilizado el MRC como elemento multiplicador de cuatro cuadrantes, lo que conlleva, por una lado, una reducción en el área utilizada frente a otras alternativas posibles y una homogeneización del diseño global y, por otro lado, la posiblidad de trabajar a elevadas frecuencias.- Se ha propuesto un nuevo lazo de control para la sintonización del factor de calidad Q. En dicho lazo se utiliza el MRC como multiplicador en lugar de detectores de pico para la realización de la detección de amplitud.Para finalizar, uno de los resultados más destacables de la presente tesis es el proceso sistemático y general para el modelizado del conjunto filtro más lazos de control en pequeña señal que se propone. Este análisis tiene como objetivo permitir el estudio de estabilidad local del sistema de sintonía automática. La aproximación considera un modelo incremental linealizado, partiendo de la característica bilineal de este tipo de filtros adaptativos o con capacidad de sintonía, así como una modulación en banda base para tener en cuenta la naturaleza sinusoidal de la señal de referencia de entrada. Como ejemplo, el proceso de modelizado se ha particularizado al filtro integrado analógico que ha servido como circuito sintonizable para la implementación del sistema de sintonía automática propuesto en la presente tesis. A este respecto se ha completado el estudio con el diseño de sendos controladores para los lazos de control de la frecuencia central y del factor de calidad del filtro que mejoran las prestaciones del implementado inicialmente.Continuidad de la investigaciónDebido, por un lado, a la gran cantidad de aplicaciones que pueden llevar al uso de filtros de tiempo continuo, el rango frecuencial que éstos pueden alcanzar, la gran cantidad de topologías y técnicas a emplear que existen para su implementación y, por otro, a la problemática que conlleva su utilización, las posibles líneas futuras a seguir en sistemas de sintonía automática para los mismos son bastante amplias. Sin embargo, se pueden resumir las principales y más inminentes:- En base al modelizado matemático del conjunto filtro más lazos de control planteado en la presente tesis, puede plantearse la búsqueda de sistemas de control adaptativos y controladores no lineales compatibles con las técnicas empleadas para la implementación de filtros de tiempo continuo, con el fin de realizar sistemas de sintonía más eficaces tanto en régimen estacionario como transitorio.- La utilización de los lazos de control para nuevas estructuras de los filtros master y slave.- A partir del diseño presentado en la presente tesis, realizar el estudio de las posibles modificaciones para poder plantear nuevos y mejores algoritmos de sintonía, así como su utilización en áreas más amplias del procesado analógico de la señal, como pueden ser:- Diseños de estructuras amplificadoras de la señal con control automático de ganancia (AGC).- Diseños de filtros autosintonizados para aplicaciones de filtrado en radiofrecuencia, como por ejemplo, filtros sintonizados para recepción de señales de radio, filtros programables para las etapas de filtrado en telefonía móvil de tercera generación, etc. A este respecto, hay que decir que ya se está trabajando ([ALA01a], [ALA01b]) en estructuras basadas en bancos de MRCs donde sus relaciones de aspecto (W/L) están convenientemente escaladas, y conllevan una programabilidad mixta digital y analógica, con el objetivo de incrementar el rango frecuencial de funcionamiento a través de la conmutación de un MRC a otro según la banda frecuencial donde ha de trabajar el sistema.- Sistematizar la síntesis de topologías de filtrado a partir de las matrices obtenidas mediante el modelizado propuesto en la presente tesis, para obtener estructuras que proporcionen independencia entre la sintonía del factor de calidad y de la frecuencia natural del filtro.