Wireless communications systems underwent an evolution as the voice oriented applications evolved to data and multimedia based services. Furthermore, current wireless technologies, regulations and the un- derstanding of the technology are insufficient for the requirements of future wireless systems. Along with the rapid rise at the number of users, increasing demand for more communications capacity to deploy multimedia applications entail effective utilization of communications resources. Therefore, there is a need for effective spectrum allocation, adaptive and complex modulation, error recovery, channel estimation, diversity and code design techniques to allow high data rates while maintaining desired quality of service, and reconfigurable and flexible air interface technologies for better interference and fading management. However, traditional communications system design is based on allocating fixed amounts of resources to the user and does not consider adaptive spectrum utilization. Technologies which will lead to adaptive, intelligent, and aware wireless communications systems are expected to come up with consistent methodologies to provide solutions for the capacity, interference, and reliability problems of the wireless networks. Spectrum sensing feature of cognitive radio systems are a step forward to better recognize the problems and to achieve efficient spectrum allocation. On the other hand, even though spectrum sensing can constitute a solid base to achieve the reconfigurability and awareness goals of next generation networks, a new perspective is required to benefit from the whole dimensions of the available electro hyperspace. Therefore, spectrum sensing should evolve to a more general and comprehensive awareness providing a mechanism, not only as a part of CR systems which provide channel occupancy information but also as a communication environment awareness component of dynamic spectrum access paradigm which can adapt sensing parameters autonomously to ensure robust identification and parameter estimation for the signals over the monitored spectrum. Such an approach will lead to recognition of communications opportunities in different dimensions of spectrum hyperspace, and provide necessary information about the air interfaces, access techniques and waveforms that are deployed over the monitored spectrum to accomplish adaptive resource management and spectrum access. We define multidimensional signal analysis as a methodology, which not only provides the information that the spectrum hyperspace dimension in interest is occupied or not, but also reveals the underlaying information regarding to the parameters, such as employed channel access methods, duplexing techniques and other parameters related to the air interfaces of the signals accessing to the monitored channels and more. To achieve multidimensional signal analysis, a comprehensive sensing, classification, and a detection approach is required at the initial stage. In this thesis, we propose the multidimensional signal analysis procedures under signal identification algorithms in time, frequency. Moreover, an angle of arrival estimation system for wireless signals, and a spectrum usage modeling and prediction method are proposed as multidimensional signal analysis functionalities.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-09-28T18:09:06Z No. of bitstreams: 1 davispereirabarbosa.pdf: 10683458 bytes, checksum: 8cd37a50126b8e958532ac4b151e99d4 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-10-09T19:24:00Z (GMT) No. of bitstreams: 1 davispereirabarbosa.pdf: 10683458 bytes, checksum: 8cd37a50126b8e958532ac4b151e99d4 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-09T19:24:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 davispereirabarbosa.pdf: 10683458 bytes, checksum: 8cd37a50126b8e958532ac4b151e99d4 (MD5) Previous issue date: 2017-03-17 / Esta tese propõe uma nova abordagem baseada em representação esparsa para o problema de estimação de energia em calorimetria de altas energias em cenários com empilhamento de sinais. Inserida dentro do programa de atualização do experimento ATLAS, no LHC, ela teve como principal motivação o aumento progressivo da luminosidade no colisionador e suas consequências relativas ao problema da estimação da energia nos canais do calorímetro eletromagnético do ATLAS, o LArg. Dois métodos de estimação foram propostos e denominados de SPARSE e SPARSE-COF, ambos utilizando programação linear na busca pela esparsidade. Esses métodos tiveram os seus desempenhos avaliados em diversas simulações e foram comparados com o método clássico utilizado nos calorímetros do ATLAS, denominado OF, e com o DM-COF, método recentemente desenvolvido para o calorímetro hadrônico do ATLAS que trata o problema de empilhamento de sinais em sua formulação. Nas diversas simulações realizadas, os métodos SPARSE e SPARSE-COF apresentaram desempenho superior aos demais, principalmente quando a janela de observação utilizada para a estimação da energia não contém todas as amostras do pulso típico do calorímetro, operando em cenários de empilhamento de sinais. Adicionalmente, através dados de simulações Monte Carlo do LArg, os métodos baseados em representação esparsa foram avaliados utilizando programação linear e também métodos esparsos de menor complexidade computacional,como o IRLS,o OMP e o LS-OMP. Os resultados mostraram que o método LS-OMP apresentou desempenho equivalente aos métodos e SPARSE e SPARSE-COF, qualificando-o como candidato a ser utilizado para estimação on-line de energia no LArg. / This thesis proposes a new approach based on sparse representation for the energy estimation problem in high energy calorimetry operating in pile-up scenarios. This work was mainly motivated by the progressive increase of the LHC luminosity and its consequences on the energy estimation problem for channels of the electromagnetic calorimeter of ATLAS (LArg), in the context of the ATLAS experiment upgrade program at the LHC. Two estimation methods were proposed and named SPARSE and SPARSE-COF, both using linear programming in the search for sparsity. These methods were evaluated in several simulations and compared with the classical method used in ATLAS calorimeters, called OF, and with DM-COF, a recently developed method for the ATLAS hadronic calorimeter that addresses pileup problem in its formulation. In the various simulations performed, SPARSE and SPARSE-COF methods performed better than others, especially when the observation window used for energy estimation does not contain all samples of the typical calorimeter pulse, operating in pile-up scenarios. In addition, through LArg Monte Carlo simulations, the methods based on sparse representation were evaluated using linear programming and also sparse methods with less computational complexity, such as IRLS, OMP and LS-OMP. The results showed that the LS-OMP method presented performance equivalent to the SPARSE and SPARSE-COF methods,qualifying it as a candidate to be used for online energy estimation in LArg.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2015-12-16T13:33:15Z No. of bitstreams: 1 bernardosottomaiorperalva.pdf: 8631621 bytes, checksum: e4e7f3d592c91e719474b259727bab6c (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2015-12-16T15:15:06Z (GMT) No. of bitstreams: 1 bernardosottomaiorperalva.pdf: 8631621 bytes, checksum: e4e7f3d592c91e719474b259727bab6c (MD5) / Made available in DSpace on 2015-12-16T15:15:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 bernardosottomaiorperalva.pdf: 8631621 bytes, checksum: e4e7f3d592c91e719474b259727bab6c (MD5) Previous issue date: 2015-09-11 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Esta tese apresenta técnicas de processamento de dados para a detecção de sinais e estimação de energia usando calorimetria de altas energias. Os calorímetros modernos possuem milhares de canais de leitura e operam sob alta taxa de eventos. Tipicamente, a reconstrução da energia envolve etapas de detecção e estimação, e é baseada na medida da amplitude do sinal (digitalizado) recebido. Os métodos empregados, atualmente, em experimentos de altas energias são baseados em técnicas de minimização da variância e selecionam os sinais de interesse a partir da estimação da energia. Este trabalho explora o uso de filtros casados para a detecção de sinais e faz uso de uma calibração para a estimação da energia dos sinais. Na abordagem proposta, os parâmetros aleatórios do pulso processado (fase e deformação) e a estatística do ruído de fundo são considerados no projeto do filtro digital, aumentando seu desempenho. No caso particular de experimentos onde a probabilidade de empilhamento de sinais é alta, uma outra solução, baseada na desconvolução linear de sinais para estimação de energia, é discutida. As técnicas propostas nesta tese foram implementadas offline e aplicadas no calorímetro de telhas (TileCal) do ATLAS no LHC. Foram utilizados sinais simulados, assim como dados reais adquiridos durante a operação nominal do LHC. Os estimadores propostos apresentaram menor erro quando comparados aos métodos empregados em calorímetros modernos e estão, atualmente, sendo validados para serem utilizados no TileCal. / This thesis presents data processing techniques of signal detection and energy estimation for high energy calorimetry. Modern calorimeters have thousands of readout channels and operate at high event rate conditions. Typically, the energy reconstruction involves both detection and estimation tasks, and it is based on the amplitude estimation of the received digitized signal. The current methods employed by high energy experiments are based on variance minimization techniques, and the valid signals are selected based on the energy estimation. This work explores the use of a technique based on Matched Filter for signal detection, and it makes use of a calibration factor to estimate the energy. In the proposed approach, the stochastic parameters of the pulse (phase and deformation) and the statistics from the background are considered for the filter design in order to increase performance. In particular cases, where the signal pile-up is likely to occur, another promising technique, based on linear signal deconvolution is discussed. The techniques proposed in this thesis were implemented offline and applied on the ATLAS Tile Calorimeter (TileCal) at LHC. Both simulated signals and real data acquired during nominal LHC operation were used. The proposed estimators presented smaller error with respect to the methods currently used in modern calorimeter systems, and they have been extensively tested to be used in TileCal.

Submitted by isabela.moljf@hotmail.com (isabela.moljf@hotmail.com) on 2016-08-12T11:54:08Z No. of bitstreams: 1 thiagocampospaschoalin.pdf: 3743029 bytes, checksum: f4b20678855edee77ec6c63903785d60 (MD5) / Rejected by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br), reason: Isabela, verifique que no resumo há algumas palavras unidas. on 2016-08-15T13:06:32Z (GMT) / Submitted by isabela.moljf@hotmail.com (isabela.moljf@hotmail.com) on 2016-08-15T13:57:16Z No. of bitstreams: 1 thiagocampospaschoalin.pdf: 3743029 bytes, checksum: f4b20678855edee77ec6c63903785d60 (MD5) / Rejected by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br), reason: separar palavras no resumo e palavras-chave on 2016-08-16T11:34:37Z (GMT) / Submitted by isabela.moljf@hotmail.com (isabela.moljf@hotmail.com) on 2016-12-19T13:07:02Z No. of bitstreams: 1 thiagocampospaschoalin.pdf: 3743029 bytes, checksum: f4b20678855edee77ec6c63903785d60 (MD5) / Rejected by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br), reason: Consertar palavras unidas no resumo on 2017-02-03T12:27:10Z (GMT) / Submitted by isabela.moljf@hotmail.com (isabela.moljf@hotmail.com) on 2017-02-03T12:51:52Z No. of bitstreams: 1 thiagocampospaschoalin.pdf: 3743029 bytes, checksum: f4b20678855edee77ec6c63903785d60 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-02-03T12:54:15Z (GMT) No. of bitstreams: 1 thiagocampospaschoalin.pdf: 3743029 bytes, checksum: f4b20678855edee77ec6c63903785d60 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-03T12:54:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 thiagocampospaschoalin.pdf: 3743029 bytes, checksum: f4b20678855edee77ec6c63903785d60 (MD5) Previous issue date: 2016-03-15 / Esta dissertação apresenta técnicas de processamento de sinais a fim de realizar a Estimação da energia, utilizando calorimetria de altas energias. O CERN, um dos mais importantes centros de pesquisa de física de partículas, possui o acelerador de partículas LHC, onde está inserido o ATLAS. O TileCal, importante calorímetro integrante do ATLAS, possui diversos canais de leitura, operando com altas taxas de eventos. A reconstrução da energia das partículas que interagem com este calorímetro é realizada através da estimação da amplitude do sinal gerado nos canais do mesmo. Por este motivo, a modelagem correta do ruído é importante para se desenvolver técnicas de estimação eficientes. Com o aumento da luminosidade (número de partículas que incidem no detector por unidade de tempo) no TileCal, altera-se o modelo do ruído, o que faz com que as técnicas de estimação utilizadas anteriormente apresentem uma queda de desempenho. Com a modelagem deste novo ruído como sendo uma Distribuição Lognormal, torna possível o desenvolvimento de uma nova técnica de estimação utilizando Estimadores de Máxima Verossimilhança (do inglês Maximum Likelihood Estimator MLE), aprimorando a estimação dos parâmetros e levando à uma reconstrução da energia do sinal de forma mais correta. Uma nova forma de análise da qualidade da estimação é também apresentada, se mostrando bastante eficiente e útil em ambientes de alta luminosidade. A comparação entre o método utilizado pelo CERN e o novo método desenvolvido mostrou que a solução proposta é superior em desempenho, sendo adequado o seu uso no novo cenário de alta luminosidade no qual o TileCal estará sujeito a partir de 2018. / This paper presents signal processing techniques that performs signal detection and energy estimation using calorimetry high energies. The CERN, one of the most important physics particles research center, has the LHC, that contains the ATLAS. The TileCal, important device of the ATLAS calorimeter, is the component that involves a lot of parallel channels working, involving high event rates. The reconstruction of the signal energy that interact with this calorimeter is performed through estimation of the amplitude of signal generated by this calorimter. So, accurate noise modeling is important to develop efficient estimation techniques. With high brightness in TileCal, the noise model modifies, which leads a performance drop of estimation techniques used previously. Modelling this new noise as a lognormal distribution allows the development of a new estimation technique using the MLE (Maximum Like lihood Estimation), improving parameter sestimation and leading to a more accurately reconstruction of the signal energy. A new method to analise the estimation quality is presented, wich is very effective and useful in high brightness enviroment conditions. The comparison between the method used by CERN and the new method developed revealed that the proposed solution is superior and is suitable to use in this kind of ambient that TileCal will be working from 2018.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-04-20T15:14:06Z No. of bitstreams: 1 bernardosottomaiorperalva.pdf: 4608167 bytes, checksum: c63c1f7fc453965f36158791fb85964e (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-04-24T16:49:03Z (GMT) No. of bitstreams: 1 bernardosottomaiorperalva.pdf: 4608167 bytes, checksum: c63c1f7fc453965f36158791fb85964e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-24T16:49:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 bernardosottomaiorperalva.pdf: 4608167 bytes, checksum: c63c1f7fc453965f36158791fb85964e (MD5) Previous issue date: 2012-05-07 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta dissertação, são apresentados métodos para detecção de sinais e estimação de energia para calorimetria de altas energias aplicados no calorímetro hadrônico (TileCal) do ATLAS. A energia depositada em cada célula do calorímetro é adquirida por dois canais eletrônicos de leitura e é estimada, separadamente, através da reconstrução da amplitude do pulso digitalizado amostrado a cada 25 ns. Este trabalho explora a aplicabilidade de uma aproximação do Filtro Casado no ambiente do TileCal para detectar sinais e estimar sua amplitude. Além disso, este trabalho explora o impacto na detecção de eventos válidos e estimação da amplitude quando somam-se os sinais referentes à mesma célula antes da aplicação do filtro. O método proposto é comparado com o Filtro Ótimo atualmente utilizado pelo TileCal para reconstrução de energia. Os resultados para dados simulados e de colisão mostram que, para condições em que a linha de base do sinal de entrada pode ser considerada estacionária, a técnica proposta apresenta uma melhor eficiência de detecção e estimação do que a alcançada pelo Filtro Ótimo empregada no TileCal. / The Tile Barrel Calorimeter (TileCal) is the central section of the hadronic calorimeter of ATLAS at LHC. The energy deposited in each cell of the calorimeter is read out by two electronic channels for redundancy and is estimated, per channel, by reconstructing the amplitude of the digitized signal pulse sampled every 25 ns. This work presents signal detection and energy estimation methods for high energy calorimetry, applied to the TileCal environment. It investigates the applicability of a Matched Filter and, furthermore, it explores the impact when summing the signals belonging to the same cell before the estimating and detecting procedures. The proposed method is compared to the Optimal Filter algorithm, that is currently been used at TileCal for energy reconstruction. The results for simulated and collision data sets showed that for conditions where the signal pedestal could be considered stationary, the proposed method achieves better detection and estimation efficiencies than the Optimal Filter technique employed in TileCal.