El uso de dispositivos que operen con señales diferenciales y simultáneamente supriman el modo común cada vez atrae más la atención de los ingenieros de microondas. El contenido de esta tesis está enfocado en el estudio y diseño de circuitos balanceados de microondas utilizando técnicas avanzadas de diseño y conceptos derivados de los metamateriales así como el uso de resonadores semidiscretos. Mediante estos conceptos avanzados se han diseñado componentes de doble banda (dual) y filtros diferenciales de microondas con buen comportamiento y dimensiones reducidas. Para sintetizar estructuras diferenciales con supresión del modo común, se ha utilizado líneas de transmisión artificiales basadas en componentes semidiscretos y mediante resonadores concentrados como pueden ser el OSRR y el OCSRR. Mediante el uso de dichas partículas se han obtenido filtros diferenciales con elevados anchos de banda, así como inversores de impedancia duales diferenciales y divisores de potencia balanceados. Todas las implementaciones que se encuentran en este trabajo proporcionan la capacidad para rechazar el modo común de manera inherente (sin la necesidad de añadir etapas adicionales al diseño). Primeramente se han diseñado filtros balanceados mediante resonadores en salto de impedancia en configuración diferencial e inversores de admitancia. Posteriormente se han utilizado líneas con comportamiento compuesto zurdo/diestro (CRLH) con topología diferencial para diseñar inversores de impedancia duales y su aplicación más directa como son los divisores de potencia diferenciales basados en la unión en Y. A continuación se ha explorado la opción de ensanchar los anchos de banda de operación de filtros diferenciales de microondas mediante resonadores concentrados y semidiscretos. Todos los conceptos explorados en esta tesis han sido validados mediante prototipos que han demostrado un buen ajuste entre simulación circuital, simulación electromagnética y medida. Mediante el concepto de cristal electromagnético (o Electromagnetic BandGap –EBG-), se han diseñado filtros diferenciales capaces de cubrir el espectro UWB y con un buen comportamiento fuera de la banda de interés, así como la supresión del modo común en la banda filtrante. También se ha explorado la opción de diseñar reflectores en líneas diferenciales (microstrip), para la cancelación del modo común mediante la teoría derivada del acoplo de modos. Los resultados obtenidos después de caracterizar las estructuras, validan los circuitos propuestos. De manera adicional, se ha realizado un estudio teórico sobre las redes en celosía y como su topología puede proporcionar características diferentes a las obtenidas mediante líneas artificiales CRLH basadas en un modelo en T o en π. Estas diferencias se hacen patentes en su impedancia característica ya que, bajo ciertas limitaciones, ésta no depende de la frecuencia. Este fenómeno ha sido aprovechado para obtener divisores de potencia operativos en dos bandas mostrando un ensanchamiento del ancho de banda operativo del dispositivo. / The use of devices that operate with differential signals as well as simultaneously suppress the common mode has increased the attention of microwave engineers. This thesis is focused on the study and design of microwave balanced circuits using advanced design techniques, metamaterials concepts and semilumped resonators. Through these advanced concepts dual-band components and differential microwave filters with good performance and small size have been designed. To synthesize differential structures with common mode suppression, artificial transmission lines based on semilumped resonators and electrically small resonators (OSRR and OCSRR) have been chosen. Such particles allow designing broadband differential filters, differential dual-band impedance inverters and balanced power dividers. All implementations reported in this work are able to reject the common mode inherently, that is without the need to add additional design stages. Firstly balanced filters are designed using stepped impedance resonators in differential configuration together with admittance inverters. Later, differential-mode composite right/left handed (DM-CRLH) transmission lines are used for dual-band impedance inverters design and its direct application to differential power dividers based on Y-junction. As a continuation, the option of widen the operating bandwidth differential microwave filters by means of concentrate and semilumped resonators has been explored. All the concepts explored in this thesis have been validated through prototypes that have demonstrated a good agreement between circuit simulation, electromagnetic simulation and measurement. On the other hand, by means of electromagnetic crystal concept (or Electromagnetic Bandgap-EBG-) differential filters have also been designed to cover the UWB spectrum with good behavior out of the interest band, as well as the suppression of common-mode in differential pass band. It was also explored the option of designing differential lines reflectors in order to suppress the common mode by means of coupled mode theory. The results obtained after characterize the structures validated the proposed circuits. Finally, a theoretical study of lattice networks and how their topology can provide differences from those obtained by artificial CRLH lines based on T or π model was carried out. Such differences are evident in its characteristic impedance and that, under certain limitations, it is not frequency dependent. This phenomenon has been taken advantage to obtain dual-band power dividers, showing a widening of the operating bandwidth of the device.

Esta tesis doctoral versa sobre el transporte electrónico en sistemas de baja dimensión. En particular, se utlizan diferentes formalismos para abordar fenómenos cuánticos en el transporte electrónico en grafeno. Por una parte, se estudia la interacción de intercambio en los procesos de transporte electrónico dependientes del tiempo, mediante la teoría de trayectorias Bohmianas para paquetes de ondas. Se demuestra que la densidad de estados en el espacio de fases puede entenderse a través de la probabilidad de encontrar electrones con configuraciones similares. Debido a la repulsión de Pauli, cada electrón ocupa una región 2π en el espacio de fases. A través de la velocidad de los electrones, la densidad de estados electrónicos puede relacionarse con la densidad de flujo electrónico. La importancia de este nuevo concepto se hace evidente al tratar de modelizar la inyección de electrones en los nanodispositivos. En particular se muestra que la inyección balística en el grafeno es muy diferente de la inyección en nanodispositivos convencionales (con dispersiones parabólicas) debido a su particular relación de dispersión lineal y alta velocidad de Fermi. Este particular ritmo de entrada de electrones en el grafeno también produce un cambio importante en el ruido electrónico a alta frecuencia en el regimen balístico. Estos resultados abren nuevas perspectivas para el estudio del transporte cuántico dependiente del tiempo para muchos cuerpos. Por otra parte, con el fin de explorar los efectos de producir nanoondulaciones en el grafeno, se realizó un estudio de las propiedades electrónicas de transporte utilizando la Teoria de la Densidad Funcional y la función de Green. Se predice la formación de transporte cuasi-unidimensional en nanoondulaciones de grafeno, marcado por la cuantización de la conductancia tanto para ondulaciones a lo largo de la orientación cristalográfica armchair como de la zigzag. / This dissertation deals with electronic transport in low dimensional systems. In particular, quantum phenomena in electronic transport in graphene are addressed using different formalisms. On one hand, the exchange interaction in time-dependent processes in electron transport is studies with Bohm trajectories for wavepackets. It is shown that the density of states in phase space can be understood through the probability of finding similar electron configurations. Due to the Pauli repulsion, each electron occupies a region 2π in phase space. Through the speed of electrons, the density of states (DOS) can be related to the density of flux (DOF). The relevance of this new concept is evident when modeling the injection of electrons into nanodevices. In particular, it is shown that ballistic injection in graphene is very different from injection into conventional nanodevices (with parabolic dispersions) due to its particular linear dispersion relation and high Fermi velocity. This particular rate of incoming electrons into graphene also produces a significant change in the highfrequency electronic noise in the ballistic regime. These results open new perspectives for the study of time-dependent many-body quantum transport. On the other hand, in order to explore the effects of producing nanoripples in graphene, a study of electronic transport properties using the Density Functional Theory and the Green's function was performed. Quasi-one-dimensional transport in graphene nanocorrugations has been predicted, highlighted by the quantization of conductance for undulations along both armchair and it zigzag crystallographic orientations.

En l'enginyeria de microones, alguns dels principals reptes són la reducció de la mida dels circuits i la flexibilitat de disseny. Aquests són aspectes clau dels dispositius de comunicacions i, com a resultat, s'han fet molts esforços en aquesta direcció. Un clar exemple són les anomenades línies de transmissió basades en metamaterials. Aquestes línies artificials presenten característiques controlables, són elèctricament petites i ofereixen noves funcionalitats. No obstant això, per la seva complexitat, les línies de transmissió metamaterial en general requereixen d’un procés de disseny feixuc, basant-se en l'experiència dels dissenyadors. En les últimes dècades, s’han desenvolupat diverses tècniques d'optimització basades en mapejat espacial (o SM, del anglès Space Mapping), que combinen la precisió dels simuladors electromagnètics amb la velocitat dels simuladors de circuits. Aquest fet proporciona la capacitat d’automatitzar el procés de disseny i reduir-ne el temps. Per aquesta raó, aquestes tècniques són bones candidates per fer front a problemes complexos com el disseny de les línies de transmissió metamaterial. Per tant, l'objectiu principal del treball recopilat en aquesta tesi és el desenvolupament d'una nova eina per a la síntesi automatitzada d'aquest tipus d'estructures a partir del coneixement dels elements reactius del seu circuit equivalent. Concretament, es tracta de la síntesi automàtica de línies de transmissió carregades amb ressonadors d’anells oberts complementaris (o CSRRs, del anglès Complementary Split Ring Resonators) mitjançant l'ús de la tècnica coneguda com mapejat espacial agressiu (o ASM, del anglès Aggressive Space Mapping). Es proporcionen diferents estratègies per al desenvolupament de l'algorisme ASM i les seves millores, tot incloent una tècnica per determinar si per a un conjunt donat de paràmetres circuitals que compleixin les especificacions, l'estructura pot ser sintetitzada o no, i la reducció del temps de convergència. D'altra banda, l'algorisme ASM s'ha aplicat en el disseny de diversos dispositius de microones, com els filtres de Wi-Fi i divisors de potència de banda dual per aplicacions GSM, entre d’altres. / In microwave engineering some of the main challenges are size reduction and design flexibility. These are key aspects in communication devices and, as a result, many efforts have been made in this direction. A clear example of that are the so-called transmission lines based on metamaterials. Such artificial lines exhibit controllable characteristics, are electrically small and provide new functionalities. However, due to their complexity, metamaterial transmission lines usually require a cumbersome design process, based on the experience of the designers. In last decades, several optimization techniques based on Space Mapping (SM), which combine the accuracy of the electromagnetic simulators with the speed of circuit simulators, have been reported. This reduces design time and provides the ability to automate the design process. For this reason, these techniques are good candidates to deal with complex problems such as the design of metamaterial transmission lines. Thus, the main objective of the work compiled in this thesis is to develop a new tool for the automated synthesis of such structures from the knowledge of the reactive elements of its equivalent circuit. Specifically, it deals with the automatic synthesis of transmission lines loaded with Complementary Split Ring Resonators (CSRRs) by using the technique known as Aggressive Space Mapping (ASM). Different strategies for the development of the ASM algorithm and its improvements are provided, including a technique to determine whether for a given set of circuit parameters that meet specifications the structure can be synthesized or not, and the reduction of the convergence time. Moreover, the ASM algorithm has been applied to the design of several microwave devices, such as Wi-Fi filters and dual-band power dividers for GSM applications, among others.

Nowadays, due to huge deployment of optical transport networks, a continuous increase towards higher data rates up to 100 Gb/s and beyond is observed. Furthermore, an evolution of the current optical networks is forecasted, acquiring new functionalities, e.g. elastic spectrum assignment for the optical signals. The target for these new challenges in transmission is to find techniques ready to deal with a growth of demand for bandwidth continuously asked by network operators, for whom the standard systems do not meet the new functionalities while higher rates are being set up. A solution for covering all of those needs is to adapt techniques capable to deal with such enormous data rates, and ensuring the same high efficiency for long distances and mitigate the optical impairments accumulated along the transmission path. Additionally, these transmission techniques are expected to provide some degree of flexibility, in order to enhance the network flexibility. A promising technology that can fully cope with those requires is the coherent optical orthogonal frequency division multiplexing (CO-OFDM). CO-OFDM provides several advantages, namely high sensitivity and spectral efficiency, simple integration and possibility to fully recover a signal in phase, amplitude and polarization. These systems are composed by digital signal processing (DSP) blocks that easily process data and can equalize and compensate the main impairments, providing high tolerance for dispersion effects. However, CO-OFDM systems are not free from drawbacks. Their high peak-to-average power ratio (PAPR) reduce their tolerance to nonlinearities. Furthermore, CO-OFDM systems are sensitive to any frequency shift and phase offset. Hence, a constant envelope optical OFDM (CE-OFDM) is proposed for significantly reducing the PAPR and solving high sensitivity to nonlinear impairments. It consists in a phase modulated discrete multi-tone signal, which is coherently detected at the receiver side. An alternative transform, the discrete Hartley transform, is proposed to speed up calculations in the DSP and eliminate the need to have a Hermitian symmetry. The optical CE-OFDM by its unique flexibility and rate scalability turns out as a great technology applicable to different configurations, ranging from access to core networks. In case of access solutions, several cases are investigated. First, the optical CE-OFDM is applied for radio access network signals delivery by means of a wavelength division multiplexing (WDM) overlay in deployed access architecture. A decomposed radio access network is deployed over an existing standard passive optical network (PON), capable to avoid interference and cross talks with access signals between network clients. The system exhibited narrow channel spacing, while reducing losses fed into the access equipment path. Next, a full duplex 10 Gb/s bidirectional PON transmission over a single wavelength with RSOA based ONU is investigated. The key point of that system is the upstream transmission, which is achieved re-modulating the phase of a downstream intensity modulated signal after proper saturation. The reported sensitivity performances show a power budget matching the PON standards and an OSNR easy to reach on non-amplified PON. Next, a flexible metropolitan area network of up to 100km with traffic add/drop using WDM is investigated. There the narrowing effect of the optical filters is studied. Finally, an elastic upgrade of the existing Telefonica model of the Spanish national core network is proposed. For that, the transceiver architecture is proposed to be operated featuring polarization multiplexing. Respect to the existing fixed grid, the flexible approach (enabled by the CE-OFDM transceiver) results into reduced bandwidth occupancy and low OSNR requirement. / Hoy en día, debido al gran despliegue de las redes de ópticas de transporte, se espera un aumento continuado hacia mayores velocidades de datos, hasta 100 Gb/s y más allá. Por otra parte, la evolución que se prevé para las redes ópticas actuales, incluye la adquisición de nuevas funcionalidades, por ejemplo, la asignación del espectro de forma elástica para las señales ópticas. Por tanto, el claro desafío en cuanto a las tecnologías de transmisión es encontrar técnicas preparadas para hacer frente a un crecimiento de la demanda de ancho de banda; demanda que continuamente se incrementa por parte de los operadores de red, para quienes los sistemas estándar no se acaban de ajustar a las nuevas funcionalidades que esperan para la red. Una solución para cubrir todas estas necesidades es la adaptación de técnicas capaces de hacer frente a estas velocidades de datos enormes, y garantizar el mismo nivel de eficiencia para las largas distancias y mitigar las deficiencias ópticas acumuladas a lo largo de la ruta de transmisión. Además, se espera que estas técnicas de transmisión puedan proporcionar cierto grado de flexibilidad, a fin de mejorar y hacer más eficiente la gestión de la red. Una tecnología prometedora que puede hacer frente a estos requisitos es lo que se llama multiplexación por división de frecuencias ortogonales, combinado con la detección óptica coherente (CO-OFDM). CO-OFDM ofrece varias ventajas, entre otras: alta sensibilidad y eficiencia espectral y, sobre todo, la posibilidad de recuperar por completo de una señal en fase, la amplitud y la polarización. Estos sistemas están compuestos por bloques de procesado de señales digitales (DSP) que permiten detectar los datos fácilmente así como también compensar las principales degradaciones, proporcionando alta tolerancia a los efectos de dispersión. Sin embargo, los sistemas CO-OFDM no están exentos de inconvenientes. Su alta relación de potencia de pico a potencia media (PAPR) reduce sensiblemente la tolerancia no linealidades. Por otra parte, los sistemas CO-OFDM son sensibles a cualquier cambio de frecuencia y desplazamiento de fase. Por tanto, se propone un sistema OFDM de envolvente constante (CE-OFDM) para reducir significativamente la PAPR y solucionar la alta sensibilidad a las degradaciones no lineales. Consiste en una señal OFDM modulada en fase, que se detecta coherentemente en el receptor. Una transformada alternativa, la transformada discreta de Hartley, se propone para acelerar los cálculos en el DSP. El sistema CE-OFDM por su flexibilidad y escalabilidad única, resulta una tecnología aplicable a diferentes escenarios, que van desde las redes de acceso hasta las redes troncales. En el caso de las soluciones de acceso, se investigan varios casos. En primer lugar, el CE-OFDM aplica para el desarrollo y soporte de datos de una red radio, reutilizando una red óptica de acceso ya desplegada. A continuación, se investiga la transmisión bidireccional dúplex a 10 Gb / s sobre una sola longitud de onda empleando un RSOA a las unidades de usuario. El punto clave de este sistema es la transmisión en sentido ascendente, que se consigue re-modulando la fase de una señal de intensidad modulada después de saturar de forma adecuada. A continuación, se estudia una red de área metropolitana flexible de hasta 100 km. Concretamente el efecto de concatenación de filtros ópticos es el objetivo de este estudio. Finalmente, se propone una actualización elástica del modelo de Telefónica I+D para la red troncal española. Por ello, se propone operar el CE-OFDM en multiplexación de polarización. Los resultados muestran que esta combinación reduce sensiblemente el empleo de ancho de banda esto como los requisitos de los enlaces transmisión, reduciendo también los costes tanto de desarrollo como de operación y mantenimiento de la red. / Avui dia, a causa del gran desplegament de les xarxes de òptiques de transport, s'espera un augment continuat cap a majors velocitats de dades, fins a 100 Gb/s i més enllà. D'altra banda, l'evolució que es preveu per a les xarxes òptiques actuals, inclou l'adquisició de noves funcionalitats, per exemple, assignació de l'espectre de forma elàstica per als senyals òptics. Per tant, el clar desafiament pel que fa a les tecnologies de transmissió és trobar tècniques preparades per fer front a un creixement de la demanda d'ample de banda; demanda que contínuament es fa per part dels operadors de xarxa, per als qui els sistemes estàndard no s'acaben d'ajustar a les noves funcionalitats que esperen per a la xarxa. Una solució per a cobrir totes aquestes necessitats és l'adaptació de tècniques capaces de fer front a aquestes velocitats de dades enormes, i garantir el mateix nivell d'eficiència per a les llargues distàncies i mitigar les deficiències òptiques acumulades al llarg de la ruta de transmissió. A més, s'espera que aquestes tècniques de transmissió puguin proporcionar cert grau de flexibilitat, per tal de millorar i tornar més eficient la gestió de la xarxa. Una tecnologia prometedora que pot fer front a aquests requisits és el que s'anomena multiplexació per divisió de freqüències ortogonals, combinat amb la detecció òptica coherent (CO-OFDM). CO-OFDM ofereix diversos avantatges, entre altres: alta sensibilitat i eficiència espectral i, sobretot, la possibilitat de recuperar per complet d'una senyal en fase, l'amplitud i la polarització. Aquests sistemes estan compostos per blocs de processament de senyals digitals (DSP) que permeten detectar les dades fàcilment així com també compensar les principals degradacions, proporcionant alta tolerància pels efectes de dispersió. No obstant això, els sistemes CO-OFDM no estan exempts d'inconvenients. La seva alta relació de potència de pic a potència mitjana (PAPR) redueix sensiblement la tolerància a no linealitats. D'altra banda, els sistemes de CO-OFDM són sensibles a qualsevol canvi de freqüència i desplaçament de fase. Per tant, es proposa un sistema OFDM d'envolvent constant (CE-OFDM) per a reduir significativament la PAPR i solucionar l'alta sensibilitat a les degradacions no lineals. Consisteix en un senyal OFDM modulat en fase, que es detecta coherentment en el receptor. Una transformada alternativa, la transformada discreta d'Hartley, es proposa accelerar els càlculs en el DSP. El sistema CE-OFDM per la seva flexibilitat i escalabilitat única, resulta una tecnologia aplicable a diferents escenaris, que van des de les xarxes d'accés fins a les xarxes troncals. En el cas de les solucions d'accés, s'investiguen diversos casos. En primer lloc, el CE-OFDM s'aplica per al desplegament i suport de dades d'una xarxa radio, reutilitzant una xarxa òptica d'accés ja desplegada. A continuació, s'investiga la transmissió bidireccional dúplex a 10 Gb/s sobre una sola longitud d'ona emprant un RSOA a les unitats d'usuari. El punt clau d'aquest sistema és la transmissió en sentit ascendent, que s'aconsegueix re-modulant la fase d'un senyal d'intensitat modulada després de saturar-la de forma adequada. A continuació, s'estudia una xarxa d'àrea metropolitana flexible de fins a 100 km. Concretament l'efecte de concatenació de filtres òptics és l'objectiu d'aquest estudi. Finalment, es proposa una actualització elàstica del model de Telefónica I+D per a la xarxa troncal espanyola. Per això, es proposa operar el CE-OFDM en multiplexació de polarització. Els resultats mostren que aquesta combinació redueix sensiblement l'ocupació d'ample de banda això com també els requisits dels enllaços transmissió, reduint també els costos tant de desplegament com d'operació i manteniment de la xarxa.

La còrnia és una estructura transparent ubicada a la part frontal de l’ull que permet la transmissió de la llum i protegeix globus ocular d’agressions externes. La principal característica de la còrnia és la seva transparència. Aquesta depèn del nivell de hidratació de l’estroma, que ha de mantenir-se en un constant estat de deshidratació. Aquest nivell de hidratació depèn d’un equilibri dinàmic entre els fluxos iònics que travessen les capes endotelials i epitelials. Per tant, la permeabilitat d’aquestes capes resulta un factor determinant per mantenir la homeòstasis corneal i conseqüentment, la transparència corneal. Malgrat això, no existeixen mètodes apropiats per avaluar la funció barrera corneal de forma no invasiva i que puguin ser utilitzats in vivo. Ja que la permeabilitat iònica té molta importància en les propietats elèctriques passives dels teixits vius, els mètodes basats en aquestes propietats són àmpliament utilitzats en estudis in vitro de la funcionalitat de les capes corneals. Aquesta tesis doctoral es centra en el desenvolupament i validació d’un mètode no invasiu per l’avaluació de l’estat funcional de les principals capes corneals que pugui ser utilitzat in vivo. Per avaluar la viabilitat del mètode proposat s’ha desenvolupat un model numèric basat en elements finits (FEM). Els resultats de les simulacions indiquen que les mesures obtingudes mitjançant elèctrodes col·locats sobre la superfície corneal són suficientment sensibles als canvis de les propietats elèctriques de l’endoteli i de l’epiteli. Una primera versió del sensor d’impedància s’ha fabricat utilitzant un substrat de Pyrex®. De forma que s’ha d’aplicar una certa pressió per tal d’aplanar la curvatura corneal i assegurar el contacte elèctric entre la superfície corneal i els elèctrodes. Malgrat la pressió exercida, sols es pot assegurar el contacte elèctric per la configuració d’elèctrodes més pròxima. Malgrat aquesta limitació, s’ha validat la capacitat del mètode per avaluar in vivo la funció barrera de la còrnia. Per tal de superar les limitacions del substrat rígid, s’ha desenvolupat un sensor de impedància flexible basat en un substrat polimèric de SU-8. D’aquesta forma, la facilitat d’ús i aplicabilitat del mètode proposat milloren notablement ja que no es requereix pressió per aplicar el sensor. La viabilitat del mètode ha estat avaluada incrementant farmacològicament la permeabilitat epitelial de conills i monitoritzant el procés de cicatrització de l’epiteli. Els resultats obtinguts s’han comparat satisfactòriament amb mesures de permeabilitat a la fluoresceïna, un mètode destructiu que es relaciona directament amb la permeabilitat. També s’ha observat que la resolució de les mesures realitzades està principalment limitada per variacions en el gruix de la llàgrima entre el sensor i la superfície corneal. De la mateixa forma, s’ha observat que la contribució de la llàgrima a la impedància mesurada es pot minimitzar augmentant la separació. En paral·lel amb el desenvolupament del sistema in vivo, s’ha estudiat la possibilitat d’aplicar el mètode a l’avaluació de la funció barrera de l’endoteli en còrnies extretes. Aquest nou desenvolupament podria ser molt útil per avaluar la funcionalitat corneal abans d’un transplantament. El mètode proposat permetrà la simplificació dels procediments experimentals utilitzats actualment, que requereixen de l’eliminació de l’epiteli abans de fer la mesura. Les mesures d’impedància obtingudes s’han comparat satisfactòriament amb tècniques microscòpiques de tinció immunològiques. El treball multidisciplinar presentat en aquesta tesis doctoral ha resultat en un nou mètode per a l’avaluació in vivo de la funció barrera corneal de forma no invasiva. Els excel·lents resultats obtingut han permès la transferència tecnològica del mètode proposat a la pràctica clínica. D’aquesta forma, el microsistema desenvolupat ha estat acceptat com a dispositiu mèdic per l’Agència Espanyola dels Medicaments i Productes Sanitaris (AEMPS) per ser utilitzat en humans. Actualment, el mètode desenvolupat es troba en fase d’assaig clínic. / The cornea is a hemispherical transparent structure located in front of the eye that allows the transmission of light and protects the ocular globe against external aggressions. The corneal transparency depends on the hydration of the stroma, which has to remain in a constant state of dehydration. This hydration level depends on a dynamic equilibrium between the ion fluxes through the endothelial and epithelial layer. Thus, the permeability of those layers plays the most important role to maintain the corneal homeostasis, and finally, the corneal transparency. However, there is a lack of proper non-invasive methods for assessing the corneal barrier function in in vivo conditions. Since ionic permeability has a fundamental impact on the passive electrical properties of living tissues, methods based on the study of those properties have consistently been used in in vitro studies of the corneal layers functionality. This dissertation is focused on the development and validation of a non-invasive method to assess the functional state of the main corneal layers in in vivo conditions. An electrical model of the cornea has been developed and analyzed by means of finite elements method (FEM). The simulation results indicate that the measurements performed by electrodes placed on the corneal surface are indeed sufficiently sensitive to the changes in the electrical properties of the epithelial and endothelial layers. The impedance sensor was firstly fabricated using a rigid Pyrex substrate. Consequently, in order to flatten the corneal curvature and ensure the electric contact between the electrodes and the corneal surface a reasonable pressure must be applied. However, the proper electric contact can only be achieved with the closest electrode configuration. Despite this limitation, the capability to in vivo assess the corneal barrier function was successfully evaluated. To overcome the limitations of the rigid substrate, a flexible impedance sensor has been developed using a polymeric SU-8 substrate. Therefore, the usability and performance of the proposed method is increased since no pressure is needed to place the sensor on the corneal surface. Its feasibility was evaluated in vivo by pharmacologically increasing the epithelial permeability and monitoring a corneal epithelium wound-healing process. The obtained impedance results were successfully compared to the measurements of permeability to sodium fluorescein, a well-known destructive method directly related with the permeability. It was also observed that the resolution of the performed measurements is mainly limited by variations in the tear film thickness between the sensor and the corneal surface. However, it was observed that the contribution of the tear film to the measured impedance can be minimized by increasing the separation between electrodes. In parallel with the development of the in vivo system, it has been studied the possibility to apply the method to assess the endothelium barrier function of excised corneas. This new development could be a helpful tool for evaluating the corneal functionality before grafting. The proposed method will allow the simplification of the currently used experimental procedures, which requires the remove of the epithelium to perform the measurement. The obtained impedance results were successfully compared with microscopy immunostaining techniques. The multidisciplinary work described in this dissertation has given rise to a novel method for in vivo assessment of the corneal barrier function in a non-invasive way. The excellent results obtained in the experimental field have allowed transferring the proposed method to the clinical practice. Thus, the developed microsystem has been accepted as a medical device by Spanish Agency of Medicines and Medical Devices(AEMPS)to be used in humans. Currently, the developed method is clinical assay phase.

Foreground segmentation in video sequences is an important area of the image processing that attracts great interest among the scientist community, since it makes possible the detection of the objects that appear in the sequences under analysis, and allows us to achieve a correct performance of high level applications which use foreground segmentation as an initial step. The current Ph.D. thesis entitled Parametric Region-Based Foreground Segmentation in Planar and Multi-View Sequences details, in the following pages, the research work carried out within this eld. In this investigation, we propose to use parametric probabilistic models at pixel-wise and region level in order to model the di erent classes that are involved in the classi cation process of the di erent regions of the image: foreground, background and, in some sequences, shadow. The development is presented in the following chapters as a generalization of the techniques proposed for objects segmentation in 2D planar sequences to 3D multi-view environment, where we establish a cooperative relationship between all the sensors that are recording the scene. Hence, di erent scenarios have been analyzed in this thesis in order to improve the foreground segmentation techniques: In the first part of this research, we present segmentation methods appropriate for 2D planar scenarios. We start dealing with foreground segmentation in static camera sequences, where a system that combines pixel-wise background model with region-based foreground and shadow models is proposed in a Bayesian classi cation framework. The research continues with the application of this method to moving camera scenarios, where the Bayesian framework is developed between foreground and background classes, both characterized with region-based models, in order to obtain a robust foreground segmentation for this kind of sequences. The second stage of the research is devoted to apply these 2D techniques to multi-view acquisition setups, where several cameras are recording the scene at the same time. At the beginning of this section, we propose a foreground segmentation system for sequences recorded by means of color and depth sensors, which combines di erent probabilistic models created for the background and foreground classes in each one of the views, by taking into account the reliability that each sensor presents. The investigation goes ahead by proposing foreground segregation methods for multi-view smart room scenarios. In these sections, we design two systems where foreground segmentation and 3D reconstruction are combined in order to improve the results of each process. The proposals end with the presentation of a multi-view segmentation system where a foreground probabilistic model is proposed in the 3D space to gather all the object information that appears in the views. The results presented in each one of the proposals show that the foreground segmentation and also the 3D reconstruction can be improved, in these scenarios, by using parametric probabilistic models for modeling the objects to segment, thus introducing the information of the object in a Bayesian classi cation framework. / La segmentaci on de objetos de primer plano en secuencias de v deo es una importante area del procesado de imagen que despierta gran inter es por parte de la comunidad cient ca, ya que posibilita la detecci on de objetos que aparecen en las diferentes secuencias en an alisis, y permite el buen funcionamiento de aplicaciones de alto nivel que utilizan esta segmentaci on obtenida como par ametro de entrada. La presente tesis doctoral titulada Parametric Region-Based Foreground Segmentation in Planar and Multi-View Sequences detalla, en las p aginas que siguen, el trabajo de investigaci on desarrollado en este campo. En esta investigaci on se propone utilizar modelos probabil sticos param etricos a nivel de p xel y a nivel de regi on para modelar las diferentes clases que participan en la clasi caci on de las regiones de la imagen: primer plano, fondo y en seg un que secuencias, las regiones de sombra. El desarrollo se presenta en los cap tulos que siguen como una generalizaci on de t ecnicas propuestas para la segmentaci on de objetos en secuencias 2D mono-c amara, al entorno 3D multi-c amara, donde se establece la cooperaci on de los diferentes sensores que participan en la grabaci on de la escena. De esta manera, diferentes escenarios han sido estudiados con el objetivo de mejorar las t ecnicas de segmentaci on para cada uno de ellos: En la primera parte de la investigaci on, se presentan m etodos de segmentaci on para escenarios monoc amara. Concretamente, se comienza tratando la segmentaci on de primer plano para c amara est atica, donde se propone un sistema completo basado en la clasi caci on Bayesiana entre el modelo a nivel de p xel de nido para modelar el fondo, y los modelos a nivel de regi on creados para modelar los objetos de primer plano y la sombra que cada uno de ellos proyecta. La investigaci on prosigue con la aplicaci on de este m etodo a secuencias grabadas mediante c amara en movimiento, donde la clasi caci on Bayesiana se plantea entre las clases de fondo y primer plano, ambas caracterizadas con modelos a nivel de regi on, con el objetivo de obtener una segmentaci on robusta para este tipo de secuencias. La segunda parte de la investigaci on, se centra en la aplicaci on de estas t ecnicas mono-c amara a entornos multi-vista, donde varias c amaras graban conjuntamente la misma escena. Al inicio de dicho apartado, se propone una segmentaci on de primer plano en secuencias donde se combina una c amara de color con una c amara de profundidad en una clasi caci on que combina los diferentes modelos probabil sticos creados para el fondo y el primer plano en cada c amara, a partir de la fi abilidad que presenta cada sensor. La investigaci on prosigue proponiendo m etodos de segmentaci on de primer plano para entornos multi-vista en salas inteligentes. En estos apartados se diseñan dos sistemas donde la segmentaci on de primer plano y la reconstrucci on 3D se combinan para mejorar los resultados de cada uno de estos procesos. Las propuestas fi nalizan con la presentaci on de un sistema de segmentaci on multi-c amara donde se centraliza la informaci on del objeto a segmentar mediante el diseño de un modelo probabil stico 3D. Los resultados presentados en cada uno de los sistemas, demuestran que la segmentacion de primer plano y la reconstrucci on 3D pueden verse mejorados en estos escenarios mediante el uso de modelos probabilisticos param etricos para modelar los objetos a segmentar, introduciendo as la informaci on disponible del objeto en un marco de clasi caci on Bayesiano.

La problemática actual derivada del uso de refrigerantes artificiales, ha impulsado la búsqueda de nuevas sustancias refrigerantes compatibles medioambientalmente,capaces de cumplir con los requisitos legales establecidos en los diferentes protocolos y normativa. La tendencia actual para poder solucionar esta problemática, apunta hacia el uso de refrigerantes naturales como es el caso del dióxido de carbono (CO2), cuyas propiedades termodinámicas y de uso, lo están convirtiendo en una solución a corto/medio plazo en muchas aplicaciones frigoríficas (A/C en automoción, refrigeración comercial). La presente tesis doctoral supone una contribución al campo del CO2 como refrigerante, centrándose en el desarrollo y posterior análisis experimental, de una instalación frigorífica de compresión de vapor empleando CO2 como refrigerante en condiciones supercríticas. La finalidad de este trabajo es analizar el funcionamiento de esta tecnología en ambientes cálidos como es el caso de España, para poder mejorar así el comportamiento y la eficiencia de este tipo de instalaciones trabajando en régimen supercrítico.

Un estudio numérico del comportamiento térmico y fluido-dinámico de flujos bifásicos, liquido-gas, en conductos es presentado. El análisis numérico es basado en dos diferentes modelos. El primer modelo es conocido como quasi-homogéneo, este modelo asume el flujo bifásico como una mezcla homogénea, que esta caracterizada por un flujo másico, una presión y una temperatura de mezcla. Estas tres variables son encontradas por medio de la resolución numérica de las ecuaciones de conservación de masa, momento y energía. Las velocidades de las fases gas y liquida pueden ser evaluadas a partir del flujo másico total de mezcla y de la distribución de una de las fases en el volumen, la cual es determinada mediante expresiones empíricas. Aunque el modelo quasi-homogéneo es capaz de dar buenos resultados en diferentes aplicaciones donde el flujo bifásico esta presente, este modelo no puede dar información de cada una de las fases independientemente. Sí el modelo quasi-homogéneo es aplicado considerando las restricciones con algunos configuraciones de flujo y el hecho de no incluir los términos de intercambio a través de la interfase, este modelo es capaz de convertirse en una buena herramienta de estimación del comportamiento térmico y fluido-dinámico en diferentes sistemas térmicos, donde el flujo bifásico esta presente. El segundo modelo es conocido como dos-fluidos, este modelo permite considerar que el liquido y el gas coexisten en un mismo volumen de control y que cada una de las fases esta caracterizada por tener una velocidad y una temperatura diferente. Este modelo tiene en cuenta las interacciones entre cada una de las fases y la interfase, así es capaz de reconocer la influencia de los intercambios de masa, momento y energía a través de la interfase. El modelo de dos-fluidos necesita más información empírica que el modelo quasi-homogéneo para cerrar y resolver el sistema de ecuaciones que lo caracteriza. La simulación numérica ha sido desarrollada por medio de la técnica de los volúmenes finitos basada en una integración transitoria, unidimensional o bidimensional de las ecuaciones de continuidad de masa, momento lineal y energía. La presión, las velocidades, las temperaturas y la distribución de cada una da las fases al interior del conducto son obtenidas por medio de la resolución de las ecuaciones gobernantes.Un método semi-implícito basado en el conocido método de corrección de presiones para resolver fluidos en una fase SIMPLE, ha sido empleado para resolver el acoplamiento entre la presión y la velocidad. Los algoritmos de resolución para cada uno de los modelos desarrollados en esta Tesis son detallados.La verificación y validación de los modelos presentados en este trabajo se han realizado contra expresiones analíticas y datos experimentales obtenidos desde la literatura técnica o mediante la infraestructura experimental del CTTC. Una comparativa de resultados entre el modelo quasi-homogéneo y el modelo de dos-fluidos para un caso unidimensional es presentado. Además, dos casos reportados en la literatura han sido usados para comparar los resultados del modelo de dos-fluidos en dos dimensiones.Aplicaciones de los modelos desarrollados en esta Tesis son presentados con el propósito de mostrar las posibilidades ofrecidas por ellos para mejorar el diseño de diferentes equipos térmicos y evitar condiciones de trabajo no deseadas. Un intercambiador de calor del tipo de doble tubo es analizado, observando la influencia de diferentes parámetros sobre el comportamiento térmico y fluido-dinámico. La resolución numérica de un intercambiador del tipo aleta y tubo trabajando como un evaporador o un condensador ha sido comparado con datos experimentales, llegando a obtener un buen ajuste entre ellos. Finalmente, las condiciones de trabajo de un panel solar son optimizadas mediante la simulación numérica, con el objetivo de evitar alcanzar condiciones peligrosas que produzcan daños severos a la instalación.

La dependencia de datos es una de las principales razones que limitan el rendimiento de los procesadores actuales. Algunos estudios han demostrado, que las aplicaciones no pueden alcanzar más de una decena de instrucciones por ciclo en un procesador ideal, con la simple limitación de las dependencias de datos. Esto sugiere que, desarrollar técnicas que eviten la serialización causada por ellas, son importantes para acelerar el paralelismo a nivel de instrucción y será crucial en los microprocesadores del futuro.Además, la innovación y las mejoras tecnológicas en el diseño de los procesadores de los últimos diez años han sobrepasado los avances en el diseño del sistema de memoria. Por lo tanto, la cada vez mas grande diferencia de velocidades de procesador y memoria, ha motivado que, los actuales procesadores de alto rendimiento se centren en las organizaciones cache para tolerar las altas latencias de memoria. Las memorias cache solventan en parte esta diferencia de velocidades, pero a cambio introducen un aumento de área del procesador, un incremento del consumo energético y una mayor demanda de ancho de banda de memoria, de manera que pueden llegar a limitar el rendimiento del procesador.En esta tesis se proponen diversas técnicas microarquitectónicas que pueden aplicarse en diversas partes del procesador, tanto para mejorar el sistema de memoria, como para acelerar la ejecución de instrucciones. Algunas de ellas intentan suavizar la diferencia de velocidades entre el procesador y el sistema de memoria, mientras que otras intentan aliviar la serialización causada por las dependencias de datos. La idea fundamental, tras todas las técnicas propuestas, consiste en aprovechar el alto porcentaje de repetición de los programas convencionales.Las instrucciones ejecutadas por los programas de hoy en día, tienden a ser repetitivas, en el sentido que, muchos de los datos consumidos y producidos por ellas son frecuentemente los mismos. Esta tesis denomina la repetición de cualquier valor fuente y destino como Repetición de Valores, mientras que la repetición de valores fuente y operación de la instrucción se distingue como Repetición de Computaciones. De manera particular, las técnicas propuestas para mejorar el sistema de memoria se basan en explotar la repetición de valores producida por las instrucciones de almacenamiento, mientras que las técnicas propuestas para acelerar la ejecución de instrucciones, aprovechan la repetición de computaciones producida por todas las instrucciones. / Data dependences are some of the most important hurdles that limit the performance of current microprocessors. Some studies have shown that some applications cannot achieve more than a few tens of instructions per cycle in an ideal processor with the sole limitation of data dependences. This suggests that techniques for avoiding the serialization caused by them are important for boosting the instruction-level parallelism and will be crucial for future microprocessors. Moreover, innovation and technological improvements in processor design have outpaced advances in memory design in the last ten years. Therefore, the increasing gap between processor and memory speeds has motivated that current high performance processors focus on cache memory organizations to tolerate growing memory latencies. Caches attempt to bridge this gap but do so at the expense of large amounts of die area, increment of the energy consumption and higher demand of memory bandwidth that can be progressively a greater limit to high performance.We propose several microarchitectural techniques that can be applied to various parts of current microprocessor designs to improve the memory system and to boost the execution of instructions. Some techniques attempt to ease the gap between processor and memory speeds, while the others attempt to alleviate the serialization caused by data dependences. The underlying aim behind all the proposed microarchitectural techniques is to exploit the repetitive behaviour in conventional programs. Instructions executed by real-world programs tend to be repetitious, in the sense that most of the data consumed and produced by several dynamic instructions are often the same. We refer to the repetition of any source or result value as Value Repetition and the repetition of source values and operation as Computation Repetition. In particular, the techniques proposed for improving the memory system are based on exploiting the value repetition produced by store instructions, while the techniques proposed for boosting the execution of instructions are based on exploiting the computation repetition produced by all the instructions.

El present treball de tesi doctoral tracta sobre la utilització d'una màquina asíncrona, amb un rotor de gàbia d'esquirol estàndard i un estator amb dos debanaments independents amb diferent nombre de pols, per a l'obtenció d'energia elèctrica a partir d'un sistema motriu accionat per una turbina eòlica. S'ha desenvolupat un prototip i el model matemàtic, s'han realitzat simulacions i assajos experimentals per demostrar la validesa del generador. Així mateix, s'ha realitzat el disseny de l'etapa de control de la màquina. En el generador s'utilitza un dels debanats per a controlar la producció d'energia elèctrica en règim de baixa velocitat a través d'un convertidor bidireccional, el qual pot estar connectat a un bus de contínua o a la xarxa elèctrica. L'altre debanat proporciona directament l'energia elèctrica a la xarxa, de forma conjunta al primer, a partir d'un cert valor de velocitat. Aconseguint-se una òptima eficiència per a diferents condicions de velocitat del vent i una bona qualitat de l'energia elèctrica subministrada. És la principal novetat d'aquest treball, la utilització d'aquest tipus de màquina per a l'aprofitament de l'energia eòlica en un rang de velocitat variable, amb la utilització d'un control senzill i en llaç obert en el control del convertidor del costat del generador. / El presente trabajo de tesis doctoral trata sobre la utilización de una máquina asíncrona, con un rotor de jaula de ardilla estándar y un estátor con dos devanados independientes con diferente número de polos, para la obtención de energía eléctrica a partir de un sistema motriz accionado por una turbina eólica. Se ha desarrollado un prototipo y el modelo matemático, se han realizado simulaciones y ensayos experimentales para demostrar la validez del generador. Así mismo, se ha realizado el diseño de la etapa de control de la máquina. En el generador se utiliza uno de los devanados para controlar la producción de energía eléctrica en régimen de baja velocidad a través de un convertidor bidireccional, el cual puede estar conectado a un bus de continua o a la red eléctrica. El otro devanado proporciona directamente la energía eléctrica a la red, de forma conjunta al primero, a partir de un cierto valor de velocidad. Lográndose una óptima eficiencia para diferentes condiciones de velocidad del viento y calidad en el suministro de energía eléctrica. Siendo la principal novedad del presente trabajo, la utilización de este tipo de máquina para el aprovechamiento de la energía eólica en un rango de velocidad variable, con la utilización de un control sencillo y en lazo abierto en el control del convertidor del lado del generador. / The present doctoral dissertation deals with the use of an asynchronous machine, with a standard rotor squirrel cage and a stator with two independent windings with a different number of poles, for obtaining electrical energy from a motor system powered by a wind turbine. We have developed a prototype and the mathematical models; we have performed simulations and have undertaken experimental tests to demonstrate the effectiveness of the generator. We have also designed the machine control stage. In the generator, one of the windings is used to control the production of electricity in a low-speed regime through a bidirectional converter, which can be connected to a DC bus or to the mains. The other winding provides power directly to the mains, together with the previous winding, when reaching a given speed value, thereby achieving optimum efficiency for different wind speed conditions and quality in the power supply. The main new development is the use of this type of machine for the exploitation of wind energy in a variable speed range with the use of a simple open-loop control.