Abstract Localization and tracking of multiple targets is becoming an essential feature of modern communication services and systems. Although necessary in many contexts, such as surveillance and monitoring applications, low-complexity and reliable solutions capable of coping with different degrees of information are not yet available. This thesis deals with different problems that are encountered in localization and tracking applications and aims to establish a broad understanding of multitarget systems ranging from complete active to incomplete passive solutions in dynamic scenarios. Thereby we start by investigating a fully algebraic framework which is proved to be advantageous in dynamic contexts characterized by no a-priori knowledge. Subsequently we extend the approach to improve its robustness versus corrupted observations. Finally we focus on a Bayesian formulation of the passive multitarget tracking (MTT) problem. The Thesis is based on three parts. The first part focuses on a low complexity mathematical representation of the active problem (i.e manifold-based solution). In particular, the spectrum of the matrices used to represent target locations within an algebraic, multidimensional scaling (MDS) based, solution is characterized statistically. In so doing we propose a novel Jacobi-based eigenspace tracking algorithms for Gramian matrices which is shown to be particularly convenient in a multidimensional scaling formulation of the multitarget tracking problem. The second part deals with incomplete-active multitarget scenarios as well as eventual disturbances on the ranging measurements such as bias due to non-line-of-sight conditions. In particular the aforementioned algebraic solution is extended to cope with heterogeneous information and to incorporate eventual knowledge on the confidence of the measurement information. To do so we solve the classical multidimensional scaling (C-MDS) over a novel kernel matrix and show how the intrinsic nature of this formulation allows to deal with heterogeneous information, specifically angle and distance measurements. Finally, the third part focuses on the random finite sets formulation of Bayesian multisensor MTT problem for passive scenarios. In this area a new gating strategy is proposed to lower the computational complexity of the algorithms without compromising their performance. / Tiivistelmä Useiden kohteiden yhtäaikaisesta paikannuksesta ja seurannasta on tulossa olennainen osa nykyaikaisia viestinnän palveluita ja järjestelmiä. Huolimatta siitä, että yhtäaikainen paikannus on erittäin tarpeellinen osa monissa yhteyksissä, kuten valvonnan ja kontrolloinnin sovelluksissa, siihen ei ole olemassa kompleksisuudeltaan alhaista ratkaisua, joka ottaisi huomioon kaiken saatavilla olevan informaation. Väitöskirja käsittelee useiden kohteiden paikannukseen ja seurantaan liittyviä ongelmia, ja se keskittyy antamaan laajan ymmärryksen aktiivisista täydellisistä menetelmistä passiivisiin epätäydellisiin menetelmiin dynaamisissa ympäristöissä. Saavuttaakseen tavoitteen väitöskirjassa esitetään algebrallinen kehys, jonka todistetaan olevan edistyksellinen dynaamisissa ympäristöissä, joissa ei ole ennakkoinformaatiota saatavilla. Seuraavaksi väitöskirja laajentaa esitettyä lähestymistapaa parantamalla sen vakautta vääriä havaintoja vastaan. Lopuksi esitetään bayesialainen formulointi passiiviselle usean kohteen seuranta -ongelmalle (MTT). Väitöskirja on jaettu kolmeen on osaan. Ensimmäinen osa käsittelee aktiivisen ongelman kuvaamista matemaattisesti säilyttäen alhaisen kompleksisuuden. Erityisesti tässä osassa karakterisoidaan tilastollisesti matriisien spektrin käyttäminen kohteiden paikan esittämiseen moniulotteiseen skaalaukseen (MDS) pohjautuvassa menetelmässä. Saavuttaakseen tämän väitöskirja esittää Jacobin ominaisavaruuksiin perustuvan seuranta-algoritmin Gramian matriiseille, joiden osoitetaan olevan erityisen soveltuvia usean kohteen seuraamisongelman kuvaamiseen MDS-menetelmän avulla. Toinen osa käsittelee epätäydellistä aktiivista usean kohteen skenaariota, kuten myös mittausten lopullisia häiriötä, esim. ei-näköyhteyskanavasta johtuvaa harhaa. Edellä mainittu algebrallinen ratkaisu on laajennettu ottamaan huomioon heterogeeninen informaatio sekä tieto mittausdatan luotettavuudesta. Lisäksi tässä osassa esitetään ratkaisu klassiseen moniulotteiseen skaalausongelmaan (C-MDS) esittelemällä uudenlainen ydinmatriisi ja osoitetaan, kuinka tämä mahdollistaa heterogeenisen informaation, tässä tapauksessa kulma-ja etäisyysmittauksien, huomioon ottamisen. Viimeisessä osassa käsitellään äärellisten satunnaisten joukkojen soveltuvuutta bayesialaisen MTT-ongelman ratkaisuun passiivisissa skenaarioissa. Väitöskirja esittää uuden porttistrategian algoritmien kompleksisuuksien pienentämiseksi säilyttäen kuitenkin samalla niiden suorituskyvyn.

Abstract Although gain-switching is a simple, well-established technique for obtaining ultrashort optical pulses generated with laser diodes, the optical energy in a pulse achievable from commercial structures using this technique is no more than moderate and the ‘spiking’ behaviour seen at turn-on is likely to evolve into trailing oscillations. This thesis investigates, develops and improves laser diodes in order to offer experimentally verified solutions for maximizing the optical energy so as to achieve a peak power of several watts in a single optical pulse of picosecond-range duration in the gain-switching operation regime, and for suppressing the energy located in any trailing pulses to a negligible level relative to the total optical pulse energy. This was addressed by means of either (i) an ultrashort pump current pulse with an amplitude range ~(1–10) A or (ii) custom laser diode structures, both options being capable of operating uncooled at room temperature (23±3°C). For the first solution a unique superfast gallium arsenide (GaAs) avalanche transistor was utilized as a switch in order to achieve an injection current pulse with a duration of < 1 ns, which is short enough to generate only a first optical ‘spike’ when pumping a commercial laser diode. The most promising structure with regard to the second solution was an edge-emitting semiconductor laser having a strongly asymmetric broadened double heterostructure with a relatively thick active layer. Laser pulses with full width at half maximum (FWHM) of ~100 ps and an optical energy of >3 nJ but with some trailing oscillations were achieved in experiments employing injection current pulses in the nanosecond range with an amplitude of ≤17 A, generated using inexpensive silicon (Si) electronics. The performance was improved by introducing a saturable absorber (SA) into the laser cavity, which suppressed the formation of trailing oscillations, resulting in a single optical pulse. / Tiivistelmä ”Gain switching” (vahvistuskytkentä) on tunnettu tekniikka lyhyiden (<100 ps) optisten pulssien generoimiseen laserdiodeilla. Kaupallisia laserdiodirakenteita käyttäen optinen energia rajoittuu kuitenkin 10…100 pJ:n tasolle. Tällöinkin, erityisesti suurilla energiatasoilla, optisessa pulssissa ilmenee voimakkaita jälkioskillaatioita. Tässä väitöskirjassa tutkittiin ja kehitettiin kokeellisesti varmennettuja laserdiodilähetinrakenteita tavoitteena saavuttaa >1 nJ:n optisen pulssin energia ja ~100 ps:n pulssinpituus gain-switching -toimintamoodissa. Tavoitteena oli myös minimoida jälkipulssien energia. Tutkimuksen pääsisältönä on kaksi toimintaperiaatetta: Toisessa tekniikassa päähuomio kohdistuu laseridiodin virta-ajuriin, johon kehitettiin elektroniikka, joka kykenee tuottamaan nopeita virtapulsseja laajalla pulssivirta-alueella. Virtapulssin nopeuden kasvattamisen (<1 ns) osoitettiin edistävän gain switching -ilmiötä. Toisena tekniikkana tutkittiin räätälöityä laserdiodirakennetta, joka sisäisen toimintansa perusteella tuottaa dynaamisessa ohjaustilanteessa tehokkaan ja nopean laserpulssin. Kummankin periaatteen osoitettiin toimivan huonelämpötilassa (23±3°C) ilman erillistä jäähdytystä. Ensimmäisessä ratkaisussa käytettiin nopeaa gallium-arsenidi (GaAs) -avalanchetransistoria virtakytkimenä, jolla saavutettiin <1 ns FWHM injektiovirtapulssi 10 A:n virtatasolla. Tällainen virtapulssi on riittävän lyhyt virittämään ”gain switching” -ilmiön nJ-energiatasolla. Lupaavin rakenne toiseksi ratkaisuksi oli reunaemittoiva puolijohdelaseri, jossa epäsymmetrinen aaltoputki ja aktiivinen alue ovat sijoitettu normaalista laserdiodirakenteesta poiketen rinnakkain. Tällä rakenteella voitiin tuottaa ~100 ps levyisiä (FWHM) ja >3 nJ optisen kokonaisenergian omavia laserpulsseja edullisella pii-pohjaisella (Si) elektroniikalla luoduilla 1.5–2 ns:n (FWHM) ≤17 A injektiovirtapulsseilla. Suorituskykyä saatiin edelleen parannettua istuttamalla saturoiva absorbaattori (SA) laserin optiseen onteloon. Tämän osoitettiin vähentävän jälkioskillaatioiden muodostumista.

Abstract The goal of this dissertation was to study and model the settling transient response of switched-capacitor (SC) circuit, which is the most important building block of Analog-to-Digital converters (ADCs), and to improve the settling performance of the SC circuit implemented in ADC in CMOS technology. In the design of the SC circuit, there are common obstacles in obtaining a precise and fast settling with low power consumption. The main contribution of this thesis is to speed up different SC circuits without adding extra power consumption or to achieve the required settling precision with low power consumption. Two solutions to reduce the power consumption of SC integrators in sigma-delta (SD) ADCs were designed and verified by simulations. These implementations are based on the passive charge redistribution technique by injecting a precalculated open-loop charge in the output of the first integrator. The injected charge was implemented either by a continuous function of the input and feedback voltages or by quantizing to three levels. In both cases, the idea is to minimize the initial transient voltage in the input of the first OTA and hence bypass the slewing of the OTA. Another approach was proposed for the traditional SC residue circuit of the pipeline ADC, where a load capacitor is connected to the output during the evaluation phase. Here, a pre-charge of the load capacitance can be used. One proposed implementation is called the continuously controlled pre-charged technique. It pre-charges the load capacitor to the proper voltage during the previous phase, connects the pre-charged load capacitor to the output of the OTA during the evaluation phase, and hence pulls the charge sharing so that the initial input step of the OTA is instantaneously minimized. The other implementation called the minimal pre-charged method implemented for the SC residue circuit of the pipeline ADC is to simply pre-charge the load capacitor with the fixed existing voltage, minimized the spread of the initial input voltage. This proposed technique did not require any additional active components. / Tiivistelmä Kytkettyihin kapasitansseihin (SC-tekniikka) perustuvat vahvistimet ovat CMOS-tekniikkaan perustuvien analogia-digitaalimuuntimien (AD-muunnin) tärkeimpiä osia. Tämän väitöstyön tavoitteena oli tutkia ja mallittaa SC-tekniikkaan perustuvien vahvistinpiirien asettumisaikaa, ja etsiä piiriteknisiä keinoja asettumisajan nopeuttamiseksi. SC-piirien suunnittelun suurimpia ongelmia on saavuttaa tarkka ja nopea asettuminen mahdollisimman pienellä tehonkulutuksella. Tämän työn päätuloksina on joukko keinoja, joilla voidaan nopeuttaa SC-kytkettyjen vahvistimien asettumista ilman että niiden tehonkulutusta lisätään, tai saavuttaa aiempi suorituskyky pienemmällä tehonkulutuksella. Menetelmät perustuvat siihen, että SC-piirin passiivista varausjakautumista ohjataan niin, että vahvistimen tulosolmussa oleva transientti minimoituu, jolloin vahvistin ei ajaudu virtarajoitteiselle toiminta-alueelle, vaan sen asettuminen nopeutuu merkittävästi. Sigma-delta-tyyppiset AD-muuntimet koostuvat SC-integraattoreista, ja näiden asettumisen nopeuttamiseen kehitettiin ja varmennettiin simuloiden kaksi tapaa. Varauksen jakautumista autettiin syöttämällä erillisellä varauspumpulla transkonduktanssivahvistimen lähtösolmuun tietty, integraattorin tilasta ja tuloista riippuva varaus. Tällöin vahvistimen tulossa näkyvä alkutransientti pienenee, ja vahvistin ei ajaudu virtarajoitteiselle toiminta-alueelleen, jolloin sen asettumisvirhe pienenee merkittävästi. Varausinjektio toteutettiin kahdella eri tavalla: laskemalla tarvittava varaus joko jatkuvana funktiona tulosignaaleista, tai approksimoimalla sitä muutamalla diskreetillä tasolla. Pipeline-tyyppisissä AD-muuntimissa peruslohko koostuu SC-kytketystä vahvistimesta, jonka kuormakapasitanssi on kytkettynä vahvistimen lähtöön asettumisen aikana. Tämän kapasitanssin esivaraaminen sopivasti tarjoaa hyvin yksinkertaisen keinon ohjata varausjakautumista niin, että vahvistimen tulossa oleva transientti saadaan minimoitua ja toiminta virtarajoitteisessa moodissa vältettyä. Tässäkin tapauksessa kehitettiin ja varmennettiin kaksi vaihtoehtoista toteutusta. Ensimmäisessä kuormakapasitanssin esivarausjännite lasketaan tulosuureiden jatkuvana funktiona erillisellä summausvahvistimella. Toisessa, hyvin minimalistisessa ratkaisussa esivaraukseen käytetään kolmea käytettävissä olevaa kiinteää jännitettä. Tämä menetelmä ei vaadi lainkaan ylimääräisiä aktiivikomponentteja.