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

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

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

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

This Thesis study the parameters estimation of the induction machine with the single-cage and doublecage models, using the stator currents, voltages and mechanical speed from a starting transient. The dynamic equations of the induction machine are expressed in the synchronous reference frame because in this reference the values of the direct and quadrature currents have a slower variation than those in the other reference frames. This reference frame is important to facilitate the data filtering. The proposed method for the single-cage parameters estimation introduces an approximation of the rotor flux using the stator currents and voltages. It has been demonstrated in the thesis that this approximation improves the accuracy of the calculated parameters significantly. Two different methods to calculate the parameters have been developed. The first is based on the linear least-square method and the second on the resolving of a nonlinear system of equations. A detailed error study of the parameters and predicted behavior have been made in the thesis. An interesting result of the error study is that it is very important that the speed of the points be used in the calculations. It is very important to use the points with the maximum torque speed and points near the synchronous speed. The thesis presents the two first methods developed for parameters estimation of the induction machine with double-cage model using data from a starting transient. The other methods known in the literature use steady state data. Both methods use data from the point of maximum torque to the synchronous speed to calculate the parameters of a single-cage model, because the torque- and current-speed curves of this single-cage fit very well with the torque- and current-speed curves of the double-cage. Later, the first method uses a point with a speed near to zero speed and a point in the synchronous speed and other single-cage is calculated. With these two singlecages the impedances of three points are calculated and they are used to estimate the six parameters of the double-cage model solving a nonlinear system of equations. The second method, called instantaneous power method, uses the fact that the averaged transient torque has similar values to the steady-state torque in the mechanical transient region. Then, several impedance values are calculated for points with different speeds in this region, where the effects of the double-cage are more important. Finally, with impedance values in the synchronous speed and the maximum torque speed obtained with the regression method and impedance values obtained with the instantaneous power method, a set of non linear equations are defined. Their solution is the estimated parameters of the induction machine double-cage model.

En aquesta tesi es tracten en profunditat diversos aspectes sobre la modelització de la màquina d’inducció de gàbia d’esquirol. En el primer capítol, a partir dels paràmetres i de les característiques elèctriques i mecàniques pels fabricants d’aerogeneradors de velocitat fixa, s’analitza la bondat dels models lineals clàssics de la literatura: el model de simple gàbia i el model de doble gàbia. Els resultats de l’estudi permeten concloure que, el model de doble gàbia és més flexible i permet ajustar completament tots els requeriments. Aquests resultats teòrics, són validats en diferents motors de baixa potència. En el segon capítol s’analitza el comportament no lineal de la màquina degut a l’efecte de la saturació magnètica. L’assaig de diferents motors amb diferents nivells de saturació, mostra experimentalment que les corbes de parelllliscament i corrent-lliscament es veuen afectades pel grau de saturació de la màquina. Per modelitzar analíticament la saturació es proposa una funció que ajusta les mesures experimentals. Com a solució òptima es proposa la utilització del model de doble gàbia en el què la reactància de dispersió de l’estator és no lineal. En el tercer capítol, s’analitza el comportament de la màquina en la zona de fre i es presenten mesures experimentals que mostren que es deformen el alguns motors les corbes de parell-lliscament en aquesta zona de treball. Aquest efecte pot ser explicat per la presència d’harmònics de camp, motiu pel que els models lineals no són capaços de reproduir-lo. En aquest capítol s’analitza la presència d’aquests harmònics de camp i s’utilitza un esquema equivalent que ajusta de manera satisfactòria els resultats obtinguts al laboratori. Finalment en el quart capítol, s’analitzen els efectes dels sots de tensió en els aerogeneradors de velocitat fixa. S’estudia l’efecte del model de la màquina i de la debilitat o no de la xarxa a la què roman connectada la màquina quan aquesta es veu sotmesa a un sot de tensió. Es proposa alguns indicadors per avaluar l’estabilitat de la màquina en aquestes condicions. / This Thesis analyzes some aspects of the modelisation of the squirrel-cage induction machine. The first step analyzed is, from parameters and conditions given from a manufacturer of fixed-speed induction generators, the Thesis studies the classic linear models in the literature: the single- and double-cage induction machine models. The study results confirm that the double-cage model is able to fit all the requirements. Results of the theoretical study are also validated with experimental measurements obtained from several test in different motors. Secondly, the non-linear behavior of the induction machine due to the magnetic saturation has been treated. From experimental measurements, it could be demonstrated that the torque- and current-slip curves are affected by the saturation. In order to model this phenomenon, a magnetic saturation function is presented and its goodness is validated with the experimental data. To fit the torque- and current-slip curves, a steady-state equivalent circuit with a non-linear leakage stator reactance is presented as the best solution. The following step is to analyze the behavior of the induction machine in the braking regime. Measurements in these conditions are made, and they show how torque-slip curves are deformed with and high increase of the torque. This behavior cannot be reproduced by the single- and the double-cage model. One explanation of this phenomenon is the presence of space harmonics. In this chapter, space harmonics are presented and a justification of the equivalent chain single-cage circuit is made. With this steady-state equivalent circuit it is possible to estimate parameters that can fit the measurements made in laboratory. Finally, the Thesis analyzes the effects of the voltage sags in fixed-speed wind turbines which are based in squirrelcage induction machines. For this task, the effects of the modelisation of the induction machine and the weakness of the grid are studied. In this point, some indicators are presented to evaluate the stability of the machine in these conditions.

El reconeixement automàtic del locutor és la utilització d’una màquina per identificar un individu a partir de d’un missatge parlat. Recentment, aquesta tecnologia ha experimentat un increment en l’ús de diverses aplicacions com el control d’accés, l’autenticació de transaccions, la cooperació amb la justícia, l’analítica forense o la personalització de serveis, entre d’altres. Una de les qüestions centrals que es tracten en aquest camp és el fet de saber quina part del senyal de veu conté informació del locutor. Tradicionalment, els sistemes de reconeixement automàtic del locutor s’han basat principalment en característiques relacionades amb l’espectre de la veu. No obstant, els humans utilitzen altres fonts d’informació per reconèixer locutors, de manera que hi ha motius per pensar que aquestes fonts poden tenir un paper important en la tasca de reconeixement automàtic del locutor, aportar coneixement complementari als sistemes de tradicionals basats en l’espectre de la veu i millorar-ne la precisió. L’objectiu principal d’aquesta tesi és incorporar informació prosòdica a un sistema espectral tradicional per tal de millorar-ne el funcionament. Amb aquesta finalitat, diverses característiques relacionades amb la prosòdia – constituïda per elements d’entonació, ritme i accent – es seleccionen i es combinen amb les característiques espectrals existents. A més a més, la tesi també es centra en la utilització de característiques acústiques addicionals – a saber, jitter i shimmer – per millorar el funcionament del sistema de verificació espectral-prosòdic proposat. Totes dues característiques estan relacionades amb la forma i dimensió del tracte vocal, i s’han utilitzat en gran part per detectar patologies de la veu. La majoria d’aplicacions que s’han esmentat abans es poden utilitzar en un entorn multimodal; per aquest motiu, les característiques de veu utilitzades en el sistema de reconeixement del locutor també es combinen amb altres identificadors biomètrics – concretament, la cara – per tal de millorar el funcionament global del sistema. Amb aquest objectiu, s’utilitzen diverses tècniques de normalització i de fusió, i els resultats de la fusió final es milloren aplicant diferents estratègies de fusió basades en seqüències de passos. A més a més, la fusió multimodal també es millora aplicant una equalització d’histogrames com a tècnica de normalització a les distribucions de puntuacions unimodals. Per altra banda, és sabut que els humans poden identificar els altres a partir de la veu fins i tot quan aquestes veus estan alterades d’alguna manera. La qüestió rau en quina mesura els sistemes automàtics de reconeixement del locutor són vulnerables a les diferents alteracions de la veu, com ara la imitació humana o la conversió artificial. L’última part de la tesi consisteix en una anàlisi de la robustesa d’aquests sistemes a les imitacions de veu humanes i a les veus convertides sintèticament, i de la influència dels accents estrangers – com a tipus d’imitació – en el reconeixement auditiu del locutor. / Automatic speaker recognition is the use of a machine to identify an individual from a spoken sentence. Recently, this technology has been undergone an increasing use in applications such as access control, transaction authentication, law enforcement, forensics, and system customisation, among others. One of the central questions addressed by this field is what is it in the speech signal that conveys speaker identity. Traditionally, automatic speaker recognition systems have relied mostly on short-term features related to the spectrum of the voice. However, human speaker recognition relies on other sources of information; therefore, there is reason to believe that these sources can play also an important role in the automatic speaker recognition task, adding complementary knowledge to the traditional spectrum-based recognition systems and thus improving their accuracy. The main objective of this thesis is to add prosodic information to a traditional spectral system in order to improve its performance. To this end, several characteristics related to human speech prosody – which is conveyed through intonation, rhythm and stress – are selected and combined them with the existing spectral features. Furthermore, this thesis also focuses on the use of additional acoustic features – namely jitter and shimmer – to improve the performance of the proposed spectral-prosodic verification system. Both features are related to the shape and dimension of the vocal tract, and they have been largely used to detect voice pathologies. Since almost all the above-mentioned applications can be used in a multimodal environment, this thesis also aims to combine the voice features used in the speaker recognition system together with other biometric identifiers – face – in order to improve the global performance. To this end, several normalisation and fusion techniques are used, and the final fusion results are improved by applying different fusion strategies based on sequences of several steps. Furthermore, multimodal fusion is also improved by applying a histogram equalisation to the unimodal score distributions as a normalisation technique. On the other hand, it is well know that humans are able to identify others from voice even when their voices are disguised. The question arises as to how vulnerable automatic speaker recognition systems are against different voice disguises, such as human imitation or artificial voice conversion, which are potential threats to security systems that rely on automatic speaker recognition. The last part of this thesis finishes with an analysis of the robustness of such systems against human voice imitations and synthetic converted voices, and the influence of foreign accents and dialects – as a sort of imitation – in auditory speaker recognition.

The number of applications that require the use of power converters has been continually increasing in the last years on account of environmental and economical concerns. The power to be processed by these converters has been growing too. These applications include uninterruptible power supplies, motor drives, and distributed generation, such as solar photo-voltaic panels and wind turbines. The rated power of such converters can be raised by increasing the output currents. This can be chieved by connecting converter, converter legs or power devices in parallel. The connection of legs in parallel in a voltage ource inverter is made by means of inductors, hich can be either magnetically coupled or uncoupled. One of the issues that needs to be addressed is achieving an even contribution to the output current from all the legs. Current imbalances are due to circulating currents among the legs which must be avoided or controlled since they produce additional losses and stress to the power devices of the converter. An efficient technique to attain such a balance is presented in this thesis. The balancing technique achieves the objective regardless of the type of inductors used. In spite of the afore mentioned issues, the potential benefits of paralleling converter legs make their use a worthwhile option. Some of the additional benefits of paralleling are the improvement in the total harmonic distortion of the output current and voltage and the reduction of the output filters. Besides, inverters with legs connected in parallel are modular and because of that, their production and maintenance become less expensive. Moreover, they qualify for the implementation of fault-tolerant techniques thus offering the possibility to achieve systems with improved overall reliability. Interleaving of the carriers can be used to modulate the reference signals for each leg, which leads to a reduction in the output current ripple without resorting to increasing the switching frequency. A whole set of shifted carriers is required if interleaved pulse-width modulators are used. Implementing this by means of a digital signal processor (DSP) means that the higher the number of carriers, the higher the number of DSP timing resources required. Provided that the latter are usually limited, this could be a drawback when increasing the number of interleaved carriers. In this thesis the implementation of a pulse-width modulation (PWM) scheme where all modulators use the same carrier offering the same results as if a set of n interleaved carriers were used is presented. Since the proposed algorithm takes maximum benefit from the PWM units available in a DSP, a higher number of legs connected in parallel can be controlled without adding any external processing hardware. In multiphase voltage source inverters with n interleaved parallel-connected legs, the best single-phase output voltage is achieved when the carriers are evenly phase shifted. However, switching among nonadjacent levels can be observed at regular intervals in the line-to-line voltages, causing bad harmonic performance. This thesis includes a novel implementation of PWM that improves the quality of the line-to-line output voltages in interleaved multiphase voltage-source inverters. With the proposed method, switching in the line-to-line voltages happens exclusively between adjacent levels. The modulator utilizes two sets of n evenly phase-shifted carriers that are dynamically allocated. Because of its generality, the proposed implementation is valid for any number of phases and any number of legs in parallel. All the modulation and control algorithms proposed in this thesis have been firstly simulated on Matlab/Simulink models, and then experimentally corroborated on a low power laboratory prototype. / El número de aplicaciones que requiere del uso de convertidores de potencia ha crecido de forma regular en los últimos años debido a cuestiones económicas y ambientales. Entre ellas se incluyen fuentes de alimentación ininterrumpibles, accionamientos de motores y sistemas de generación distribuida, como paneles fotovoltaicos o turbinas eólicas. La potencia nominal de dichos convertidores puede aumentarse incrementando las corrientes de salida. Esto puede lograrse mediante la conexión en paralelo de: semiconductores, ramas de convertidor o convertidores. La conexión en paralelo de las ramas de un inversor con fuente de tensión se efectúa mediante inductancias, que pueden estar magnéticamente acopladas o no. Una de las cuestiones que hay que lograr es una contribución equitativa a la corriente de salida por parte de todas las ramas. Los desequilibrios se deben a las corrientes que circulan entre las ramas y que deben evitarse, o controlarse, pues causan solicitaciones y pérdidas adicionales en los dispositivos de potencia del convertidor. En esta tesis se presenta una técnica eficiente para conseguir dicho equilibrio. Dicha técnica es efectiva independientemente del tipo de bobinas utilizado. A pesar de las cuestiones mencionadas, los beneficios de la conexión de ramas en paralelo las convierte en una opción a considerar. Entre sus beneficios adicionales se encuentran la mejora en la distorsión armónica total de las tensiones y corrientes de salida y la reducción de los filtros de salida. Además, los convertidores con ramas en paralelo son modulares y, de este modo, su producción y mantenimiento resulta más económico. Es más, son ideales para la implantación de técnicas tolerantes a fallos, lo que permite obtener sistemas con una mejor fiabilidad global. Para la modulación de las señales de cada rama pueden utilizarse técnicas de entrelazado de las portadoras, lo que conduce a un menor rizado en la corriente de salida sin tener que recurrir a mayores frecuencias de conmutación. Si se usan moduladores de anchura de pulso entrelazados, se necesita un conjunto de señales portadoras desplazadas. La implantación de esto mediante un procesador digital de señal (DSP) implica que a mayor número de portadoras, mayor será el número de recursos de temporización del DSP que se necesiten. Dado que estos últimos son normalmente limitados, esto podría ser un inconveniente cuando se quiera incrementar el número de portadoras entrelazadas. En esta tesis se presenta la implementación de un esquema de modulación de anchura de pulso (PWM) en el que todos los moduladores usan una misma portadora y que ofrece el mismo resultado que si se utilizara todo un conjunto de portadoras entrelazadas. Como el algoritmo propuesto saca el mejor provecho de las unidades de PWM disponibles en el DSP, se podría controlar un mayor número de ramas en paralelo sin necesidad de ninguna circuitería externa adicional. En inversores con fuente de corriente polifásicos con n ramas conectadas en paralelo, la mejor tensión de fase de salida se obtiene cuando las portadoras están desfasadas por igual. Sin embargo, se observan transiciones entre niveles de salida no adyacentes en las tensiones de línea a intervalos regulares, lo que ocasiona malas prestaciones armónicas. Esta tesis incluye una novedosa implementación de PWM que mejora la calidad de la tensión de línea en inversores con fuente de tensión. Con el método propuesto, las transiciones en las tensiones de línea se producen únicamente entre niveles de tensión adyacentes. El modulador utiliza dos conjuntos de n Portadoras regularmente desfasadas cuyo uso se va asignando de forma dinámica. Dada su formulación genérica, la implementación propuesta es válida para cualquier número de fases y cualquier número de ramas

For the past century, ac networks have been established as the standard technology for electrical power transmission system s. However, the de technology has not disappeared completely from this picture. The capability of de systems to transmit higher power over longer distances, the possibility of interconnecting asynchronous networks, and their high efficiency has maintained the interest of both industry and academia. Historically, systems based on dc-generators and mercury valves were used for de power transmission applications, but, by the 90's, all installations were thyrsi tor-based line commutated converters (LCC). In 1999, the first system based on voltage source converters (VSC) was installed in Gotland, Sweden, marking the beginning of a new era for de transmission. Over the past 15 years, the power rating of VSC-based de transmission systems has increased from 50 to 700 MVV, the operating voltage from 120 to 500 kV, meanwhile , the covered distances have become as long as 950 km (ABB's HVDC-light installation in Namibia in 2010). The work presented in this thesis is oriented towards the control and operation of multi-terminal VSC de (MTDC) networks. The proposed approach is a hierarchical control architecture, inspired by the well-established automatic generation control strategy applied to ac networks. In the proposed architecture, the primary control of the MTDC system is decentralized and implemented using a generalized droop strategy More than analyzing the behavior of the primary control, this thesis provides a methodology for designing the various parameters that influence this behavior. The importance of correctly dimensioning the VSC's output capacitor is underlined as this element, when set in the context of a MTDC network, becomes the inertial element of the grid and it has a direct impact on the voltage overs hoots that appear during transients. Further on, an improved droop control strategy that attenuates the voltage oscillations during transients is proposed. Also part of the proposed hierarchical control, the secondary control is centralized and it regulates the operating point of the network so that optimal power flow (OPF) is achieved . Compared to other works, this thesis elaborates, both analytically and through simulations, on the coordination between the primary and secondary control layers. / Durante el siglo pasado, las redes de corriente alterna se han consolidado como la tecnología estándar para los sistemas de transmisión de energía eléctrica. Sin embargo, los sistemas de transmisión en continua se han seguido utilizando en algunas aplicaciones. La capacidad de estos para transmitir mayores potencias a distancias más largas, la posibilidad de interconectar redes asincrónicas, y su alta eficiencia han propiciado que se mantuviera el interés académico, de investigación e industrial en esta tecnología . Aunque históricamente se utilizaron sistemas basados en generadores de continua y válvulas de mercurio para las redes de transmisión, en la década de los 90 todas las instalaciones ya contaban con convertidores conmutados basados en tiristores (LCC). En 1999, se instaló el primer sistema basado en convertidores en fuente de tensión (VSC) en Gotland, Suecia, marcando el comienzo de una nueva era para la transmisión en corriente continua. En los últimos 15 años, la potencia de los sistemas de transmisión en continua basados en VSC ha aumentado desde los 50 hasta los 700 MN, la tensión de servicio de 120 a 500 kV y las distancias recorridas han llegado a ser, en algunos casos, de hasta 950 kilómetros (HVDC-light de ABB en Namibia en 201 O). El trabajo presentado en esta tesis se centra en el control y operación de redes de corriente continua VSC multi-terminal (MTDC). El enfoque propuesto se basa en una arquitectura de control jerárquico, inspirada en la estrategia de control de generación automática aplicada a redes de corriente alterna. En la arquitectura propuesta, el control primario del sistema MTDC está descentralizado e implementado mediante una estrategia de 'droop' generalizada. Más allá del análisis del comportamiento del control primario, esta tesis presenta una metodología para el diseño de los diferentes parámetros que influyen en el mismo. Se destaca la importancia de dimensionar correctamente condensador de salida del VSC, ya que este elemento, cuando se encuentra en el contexto de una red MTDC, se convierte en el elemento inercial de la red y tiene un impacto directo en el comportamiento transitorio de las tensiones. Asimismo, se propone una estrategia de control de 'droop' mejorada que atenúa las oscilaciones de tensión durante los transitorios. En el marco del control jerárquico propuesto, el control secundario está centralizado y regula el punto de funcionamiento de la red de manera que se consigue un flujo de potencia óptimo (OPF). En comparación con otros trabajos, esta tesis lleva a cabo, tanto de forma analítica como a través de simulaciones, un estudio detallado sobre la coordinación entre las capas de control primario y secundario en redes MTDC.

The explosive growth of shipping traffic all over the World, with around three quarters of the total trade goods and crude oil transported by sea, has raised newly emerging concerns (economical, ecological, social and geopolitical). Geo-information (location and speed) of ocean-going vessels is crucial in the maritime framework, playing a key role in the related environmental monitoring, fisheries management and maritime/coastal security. In this scenario space-based synthetic aperture radar (SAR) remote sensing is a potential tool for globally monitoring the oceans and seas, providing two-dimensional high-resolution imaging capabilities in all-day and all-weather conditions. The combination of ground moving target indication (GMTI) modes with multichannel spaceborne SAR systems represents a powerful apparatus for surveillance of maritime activities. The level of readiness of such a technology for road traffic monitoring is still low, and for the marine scenario is even less mature. Some of the current space-based SAR missions include an experimental GMTI mode with reduced detection capabilities, especially for small and slow moving targets. In this framework, this doctoral dissertation focuses on the study and analysis of the GMTI limitations of current state-of-the-art SAR missions when operating over maritime scenarios and the proposal of novel and optimal multichannel SAR-GMTI architectures, providing subclutter visibility of small (reduced reflectivity) slow moving vessels. This doctoral activity carries out a transversal analysis embracing system-architecture proposal and optimization, processing strategies assessment, performance evaluation, sea/ocean clutter characterization and adequate calibration methodologies suggestion. Firstly, the scarce availability of multichannel SAR-GMTI raw data and the related restrictions to access it have raised the need to implement flexible simulation tools for SAR-GMTI performance evaluation and mission. These simulation tools allow the comparative study and evaluation of the SAR-GMTI mode operated with current SAR missions, showing the reduced ability of these missions to detect small and slow boats in subclutter visibility. Improved performance is achieved with the new multichannel architecture based on non-uniformly distributed receivers (with external deployable antennas), setting the ground for future SAR-GMTI mission development. Some experimental multichannel SAR-GMTI data sets over the sea and acquired with two instruments, airborne F-SAR and spaceborne TerraSAR-X (TSX) platforms, have been processed to evaluate their detection capabilities as well as the adequate processing strategies (including channel balancing). This doctoral activity presents also a preliminary characterization of the sea clutter returns imaged by the spaceborne TSX instrument in a three-level basis, i.e., radiometric, statistical and polarimetric descriptions using experimental polarimetric data. This study has shown that the system-dependent limitations, such as thermal noise and temporal decorrelation, play a key role in the appropriate interpretation of the data and so should be properly included in the physical backscattering models of the sea. Current and most of the upcoming SAR missions are based on active phase array antennas (APAA) technology for the operation of multiple modes of acquisitions. The related calibration is a complex procedure due to the high number of different beams to be operated. Alternative internal calibration methodologies have been proposed and analyzed in the frame of this doctoral thesis. These approaches improved the radiometric calibration performance compared to the conventional ones. The presented formulation of the system errors as well as the proposed alternative strategies set the path to extrapolate the analysis for multichannel SAR systems. / L'increment continu del tràfic marítim arreu del món, amb gairebé tres quartes parts del total de mercaderies i cru transportats per mar, porta associats uns impactes canviants a nivell econòmic, ambiental, social i geopolític. La geo-informació (localització i velocitat) dels vaixells té un paper fonamental en el monitoratge ambiental, la gestió de la pesca i la seguretat marítima/costanera. Els radars d'obertura sintètica (SAR, sigles en anglès) embarcats en satèl·lits són una eina molt potent per al monitoratge global dels oceans i dels mars, gràcies a la seva capacitat de generar imatges d'alta resolució amb independència de les condicions meteorològiques i de la llum solar. La detecció de blancs mòbils terrestres (GMTI, sigles en anglès) combinada amb sistemes multicanal SAR és fonamental per a la vigilància de les activitats marítimes. El nivell de maduresa d'aquesta tecnologia per monitorar tràfic rodat és baix, però per al cas marítim encara ho és més. Algunes missions SAR orbitals inclouen el mode GMTI, però amb unes capacitats de detecció reduïdes, especialment per a blancs petits i lents. En aquest marc, la tesi doctoral es centra en l'estudi i anàlisi de les limitacions GMTI dels actuals sistemes SAR operant en entorns marítims, proposant noves configuracions SAR-GMTI multicanal optimitzades per a la detecció de vaixells petits (emmascarats pels retrons radar del mar) i que es mouen lentament. La present dissertació doctoral du a terme un estudi transversal que abasta des de la proposta i optimització de sistemes/configuracions, passant per l'avaluació de les tècniques de processat, fins a l'estudi del rendiment de la missió, caracterització del mar i la valoració de noves metodologies de calibratge. En primer terme, diverses eines de simulació flexibles s'han implementat per poder avaluar les capacitats GMTI de diferents missions tenint en compte la poca disponibilitat de dades multicanal SAR-GMTI. Aquests simuladors permeten l'estudi comparatiu de les capacitats GMTI de les missions SAR orbitals actuals, demostrant les seves reduïdes opcions per identificar vaixells emmascarats pels retorns del mar. En el marc de l'activitat de recerca s'han processat dades experimentals SAR-GMTI multicanal de sistemes aeris (F-SAR) i orbitals (TerraSAR-X), per tal d'avaluar les seves capacitats de detecció de blancs mòbils sobre entorns marítims, proposant les estratègies de processat i calibratge més adients. Com a part de l'activitat de recerca doctoral, s'ha portat a terme una caracterització preliminar dels retorns radar del mar adquirits amb el sensor orbital TerraSAR-X, amb tres nivells d'anàlisi (radiomètric, estadístic i polarimètric). Aquest estudi demostra que aspectes com el soroll tèrmic i la decorrelació temporal, dependents del propi sensor i de l'entorn dinàmic del mar, poden limitar la correcta interpretació de les dades, i per tant, s'han d'incloure en els models físics dels mecanismes de dispersió del mar. Les missions SAR tant actuals com futures es basen en l'explotació de la tecnologia de les agrupacions d'antenes de fase activa (APAA) per operar diferents modes d'adquisició. El procés de calibratge associat és molt complex atès el gran nombre de feixos que es poden utilitzar. En el marc de la tesi doctoral s'han proposat i avaluat metodologies alternatives de calibratge intern per aquests sistemes, amb un millor rendiment en comparació amb les tècniques convencionals. Aquestes estratègies de calibratge, juntament amb la corresponent formulació dels errors de sistema, estableixen les bases per a l'estudi i avaluació en sistemes multicanal SAR