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Provas de Dissertação de Mestrado (MEE)

28 Outubro 2011, 09:32 - Maria João Silva Carvalho

Aluno Nº: 54634

Candidato: João Filipe Mendes Cavaleiro

Título: Digital Underwater Acoustic Communication System

 

 

Júri

Presidente: Professor Doutor Carlos Alberto Ferreira Fernandes

Orientador: Professor Doutor Gonçalo Nuno Gomes Tavares

Co-orientador: Professor Doutor Moisés Simões Piedade

Vogal: Professor Doutor António Manuel dos Santos Pascoal

 

Data: 8 de Novembro de 2011

Hora: 14:30h

Local: Taguspark, Sala 1.38

 

 

Resumo da Tese:

Actualmente a comunicação acústica subaquática beneficia de um franco desenvolvimento. Dispositivos funcionais que permitem este tipo de comunicação vão abrir portas à exploração do fundo dos oceanos, à vigilância da orla costeira, ao controlo da poluição marítima, ao estudo das marés, correntes oceânicas, padrões de migração de animais, entre outros.

Este documento contêm informações sobre comunicação subaquática, incluindo os mecanismos de propagação do som na água, efeitos no canal observados por outros sistemas semelhantes, técnicas de comunicação e compensação actualmente usadas e uma proposta para um novo sistema de comunicação digital acústico subaquático.

O desenvolvimento deste sistema é parte integrante de uma Tese de Mestrado em Engenharia Electrónica e foi realizado ao longo do ano lectivo de 2010/2011.

O sistema é baseado em modulação por fase e é esperado que estabeleça um canal de comunicação com um débito binário mínimo de 1200 bps, para comunicações subaquáticas de média distancia.

Todo o processamento de sinal e lógica de controlo foram implementados num processador digital de sinal (DSP) de virgula fixa TMS320C6416T da Texas Instruments, mais concretamente numa placa de desenvolvimento fabricada pela Spectrum Digital, Inc. que integra todos os componentes necessários para correcta implementação do sistema.

No final deste projecto um canal acústico foi criado no ar com um débito binário de 2400 bps com modulação QPSK. Apesar de não terem sido efectuados testes subaquáticos, é esperado que com o hardware desenvolvido noutra Tese de Mestrado, o sistema funcione correctamente e com débitos superiores.

 

Palavras-chave:

Acústica Subaquática, Processamento Digital de Sinal, Modulação em Fase, Costas Loop, Equalização, Filtro de Cosseno Elevado

 

Abstract:

Nowadays, underwater acoustic communication experiences a significant development. Functional devices that allow this kind of communication will open doors for sea bottom exploration, for coast line surveillance, for monitoring pollution, studies of tides, currents, and even animal migration patterns among others.

This document contains information regarding underwater communications, including mechanisms of sound propagation through water, channel effects experienced by similar systems, current techniques and compensation methods used for underwater communication and a proposal for a new digital acoustic communication system.

The development of this system is the project of a Master Thesis in Electronic Engineering which as been taken during the school year of 2010/2011.

The system is based on phase modulation and is expected to enable a communication link at a minimum performance of 1200 bps for medium range underwater communication.

All the signal processing and logical control were implemented on a fixed point digital signal processor TMS320C6416T from Texas Instruments, more specifically on a development board manufactured by Spectrum Digital, Inc. which integrates all the necessary components for a correct implementation of the system.

In the final stage of this project, an acoustic link was created through air with a binary rate of 2400 bps with QPSK modulation. Although no underwater tests were made, it is expected that using the hardware being developed in another Master Thesis, the system will work correctly and with higher binary rates.

 

Keywords:

Underwater Acoustics, Digital Signal Processing, Phase Modulation, Costas Loop, Equalization, Raised Cosine Filter

 

 

Aluno Nº: 57718

Candidato: Paulo Gomes

Título: Monolithic Power Combiners in CMOS technologies for WLAN applications


Júri

Presidente: Professor Doutor Carlos Alberto Ferreira Fernandes

Orientador: Professor Doutor João Manuel Torres Caldinhas Simões Vaz

Vogal: Professor Doutor Jorge Manuel dos Santos Ribeiro Fernandes 

 

Data: 10 de Novembro de 2011

Hora: 10:30h

Local: Taguspark, Sala 2.10

 

Resumo da Tese:

Esta dissertação apresenta um estudo sobre diferentes estruturas monolíticas para combinação de potências. O primeiro passo foi simular algumas bobinas em espiral circulares e comparar os resultados com medidas experimentais. O objectivo é perceber se os resultados de simulação são precisos o suficiente para desenhar novas estruturas. Este problema está relacionado com o facto de nem todas as propriedades eléctricas e geométricas do substrato serem disponibilizadas pelo fabricante. O simulador é um simulador electromagnético 2.5-D, o ADS Momentum. As bobinas foram construídas com a tecnologia CMOS 0.18 um.

As estruturas mais comuns para combinação de potências são os transformadores com bobinas acopladas, transformadores com linhas de transmissão e baluns LC. Acopladores Wilkinson e branchline são incluídos neste projecto. Estas estruturas são estudadas nesta dissertação e mais tarde serão desenhadas e projectadas com baixas perdas de inserção. O facto de estas fazerem uma conversão de acessos unipolares para diferenciais e a alteração dos níveis de impedâncias são também propriedades desejáveis. Por fim um combinador de potência será escolhido e será utilizado num amplificador de potência.

 

Palavras-chave:

Bobinas, transformadores, combinadores de potência, radiofrequência, CMOS.

 

Abstract:

This dissertation presents a study of different monolithic power combining structures. The first step was to analyze using an electromagnetic simulator some circular spiral inductors and compare the results with experimental measurements. The objective was to see if simulation results are accurate enough for the design of new structures. This problem is related to a certain uncertainty with substrate electrical and geometrical properties not fully supplied by the foundry. The simulator is a 2.5-D electromagnetic simulator, the ADS Momentum. The inductors were made in CMOS 0.18 um technology.

The most common power combining structures are coupled inductors transformer, transmission line transformer and LC baluns. Wilkinson coupler and branchline coupler are included in this dissertation. These structures are studied and later will be designed with the least possible insertion losses. The differential to single-ended conversion and impedance level transformation are also desirable properties of these circuits. Finally a selected power combiner will be built and included in a power amplifier application.

Keywords:

Inductors, transformers, power combiners, radio-frequency, CMOS.

 

 

 

Aluno Nº: 57514

Candidato: David Nuno Gomes da Silva Simão Quelhas

Título: Mobile Station for Air Quality Mapping Sensor Network

 

Júri

Presidente: Professor Doutor Carlos Alberto Ferreira Fernandes

Orientador: Professor Doutor Francisco Andre Corrêa Alegria

Vogal: Professor Doutor Rui Manuel Rodrigues Rocha

 

Data: 11 de Novembro de 2011

Hora: 14:00h

Local: Taguspark, Sala 2.8

 

Resumo da Tese:

Existem muitas formas de medir a poluição atmosférica, com base em métodos químicos e físicos. A maioria dos sistemas para medir a qualidade do ar que se encontram actualmente em pratica nas cidades baseiam-se em estações fixas equipadas com os sensores e instrumentação apropriados para medir a qualidade do ar. Estas estações determinam a poluição nas áreas em que se encontram instaladas, e usualmente baseiam-se em métodos de medição que envolvem equipamento bastante caro. Estas estações, por exemplo, usualmente tem dimensões que fazem com que não sejam apropriadas para mudar a sua posição geográfica. O objectivo deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema móvel, não muito caro, a ser instalado no tejadilho de autocarros e táxis, tornando possível medir a qualidade do ar em áreas vastas. As medições são feitas através de vários sensores, a hora e posição geográfica das medições é obtida através de GPS (Global Positioning System), e os dados recolhidos pela estação são transmitidos para uma estação central através de GSM (Global System for Mobile Comunications), ou podem ser copiados a partir de um computador nas proximidades através de IEEE802.11 (WIFI). Este sistema também abre a possibilidade para a criação de mapas geográficos com a informação sobre a qualidade do ar representada nos mapas, através da cobertura de grandes áreas que o sistema de estações portáteis permite alcançar. 

 

Palavras-chave:

Monitorização da qualidade do ar, estações autónomas, mapas de poluição atmosférica, sistemas embebidos para redes de sensores.

 

Abstract:

There are many ways to measure air pollution, based on chemical and physical methods. Most systems of measuring air quality actually in cites rely on fixed stations with the appropriate sensors and instrumentation to measure the air quality. These stations determine the pollution in the particular area where they are installed, and usually rely on methods of measurement that are somehow expensive. The stations for instance usually have dimensions that are not appropriate to change its geographical position. The aim of this work is to develop a mobile system, not too expensive, to be placed on the top of buses or taxis, making it possible to measure air quality in wide areas. The measurements are made through several sensors, the time and geographical position of the measurement is obtained through GPS (Global Positioning System), and the data collected from the station is transmitted to a central station through the GSM (Global System for Mobile Communications) network, or can be download from a nearby computer through the IEEE 802.11 (WIFI). This system also opens the possibility for creating geographical maps with the air quality information represented on the map, due to the wide area coverage than can be achieved by portable autonomous air quality monitoring stations.

 

Keywords:

Air quality monitoring, mobile stations, air pollution maps, embedded system, sensor networks.

 

 

Aluno Nº: 57720

Candidato: Ricardo César Páscoa e Silva Correia

Título: Sistema de Medida de Impedâncias Autónoma baseado em dsPIC

 

Júri

Presidente: Professor Doutor Moisés Simões Piedade

Orientador: Professor Doutor Pedro Miguel Pinto Ramos

Vogal: Professor Doutor Rui Manuel Rodrigues Rocha

 

Data: 14 de Novembro de 2011

Hora: 10:00h

Local: Taguspark, Sala 2.10

 

Resumo da Tese:

Os avanços tecnológicos dos últimos anos têm incentivado a competição entre empresas do ramo da instrumentação.Já não basta oferecer o produto com a melhor qualidade, é também preciso antecipar as necessidades dos clientes, oferecendo cada vez mais funcionalidades num mesmo dispositivo, mantendo sempre o preço a um nível competitivo.Neste trabalho o aparelho desenvolvido é um medidor de impedâncias.Este tipo de aparelho é desenvolvido e comercializado por várias empresas, tal como a Agilent©, Hioki© e Bkprecision© mas a um preço que por vezes é demasiado elevado.Porém, para aparelhos mais acessíveis, ou seja de menor custo, as funcionalidades e alcances são reduzidos.Assim neste contexto pretende-se dar continuidade a trabalhos desenvolvidos nesta área por forma a criar um aparelho autónomo do PC, com o máximo de funcionalidade e de baixo custo.Neste relatório são apresentados várias comparações entre medidores de impedâncias existentes no mercado.Destas comparações conseguiu-se extrair as funcionalidades mais comuns, bem como alcances e valores de exactidão versus o preço.São comparados também vários modelos, de várias marcas de cada tipo de circuito integrado usado, para que neste trabalho se possa oferecer as melhores características e funcionalidades ao preço mais baixo.Ao longo deste relatório, é explicado a funcionalidade de cada módulo e as características que levaram à sua escolha.Depois de explicado o hardware são apresentados os algoritmos usados e a interface gráfica para o controlo remoto do aparelho.No fim são apresentados os resultados de vários testes em comparação com um dispositivo comercial, por forma a caracterizar o aparelho desenvolvido. 

 

Palavras-chave:

Medição de Impedâncias, dsPIC, Adaptação de Sinusóides.

 

Abstract:

The technological advances of recent years have encouraged competition between companies in the field of instrumentation. It isn?t enough just offer the best quality product, it is also necessary to anticipate customer needs, offering more functionality in one device and keeping the price at a competitive level.

In this work the developed device is an impedance measurement system. There are many brands that develop and sell these kind of systems, such as Agilent ©, Hioki © and Bkprecision © but at a price that is sometimes too high. For cheaper devices, the features and range are extremely reduced. So, in this context we intend to continue the work in this field in order to create an autonomous measurement device from any PC, with maximum functionality at a low cost.

In this report several comparatives between several impedance measuring systems available on the market are present?s. From these, it was possible to extract the most common features, as well the values of accuracy versus price. Several models of various brands of each type of integrated circuits used were also compared, to offer the best features and functionality at the lowest price.

Throughout this work, the functionality of each module and the features that led to their choice is explained. After explaining the hardware measurement setup, the algorithms are presented like the graphical interface used for the remote control.

In the end several tests results are compared with a commercial device, to characterize the developed device.

 

Keywords:

Impedance Measurement, dsPIC, Sine-fitting.

 

Aluno Nº: 57494

Candidato: Ricardo Jorge Duarte da Silva

Título: Placa de aquisição alimentada por USB

 

Júri

Presidente: Professor Doutor Moisés Simões Piedade

Orientador: Professor Doutor Pedro Miguel Pinto Ramos

Vogal: Engº António Joaquim dos Santos Romão Serralheiro (INESC)

 

Data: 15 de Novembro de 2011

Hora: 15:30h

Local: Taguspark, Sala 1.38

 

Resumo da Tese:

A aquisição de dados consiste na medição de fenómenos eléctricos/físicos como a temperatura, pressão e tensão e posterior conversão para o domínio digital. Os sistemas de aquisição de sinal surgiram devido à necessidade de medir e controlar as referidas variáveis em sistemas cada vez mais complexos. A aquisição de dados permitiu assim controlar milhares de sensores numa fracção do tempo que levaria o mesmo trabalho a ser efectuado manualmente, poupando assim tempo, dinheiro e aumentando também a segurança. Sem estes sistemas de medida, a existência de alguns sistemas complexos, como por exemplo a ressonância magnética, ou mesmo o controlo de uma linha de produção seria impossível. Os sistemas de aquisição são constituídos por uma interface de condicionamento de sinal composta por sensores e electrónica necessária para a digitalização do sinal e um computador que permite ao utilizador interagir com o sistema.

O projecto desenvolvido consistiu no desenvolvimento de uma placa de aquisição de dados (DAQ) com alimentação e comunicação USB. O controlo efectua-se através do microcontrolador PIC32MX460F512L, que em conjunto com o integrado FT2232H permite a comunicação com o computador através do protocolo USB. A placa de aquisição é constituída por 4 canais diferenciais, com aquisição simultânea a uma frequência de amostragem máxima de 150 kS/s. O protocolo USB é utilizado no controlo do sistema e na transferência das medições, através de uma aplicação desenvolvida em LabVIEW, que permite a sua utilização em outros programas desenvolvidos também em LabVIEW através do uso de algumas funções de configuração e controlo.

 

Palavras-chave:

DAQ, ADC, USB, PIC, sistema de aquisição.

 

Abstract:

Data acquisition is the process of measuring electrical/physical phenomena, for example temperature, pressure and voltage, converting them to a digital signal. Signal acquisition systems appeared with the need to measure and control those variables on systems that became more and more complex. Data acquisition allowed the control of thousands of sensors in a fraction of the time that would take the same job to be done manually, saving both time, money and improving safety at the same time. Without these measuring systems, some complex systems like CAT scan or even the control of an assembly line would be impossible. Data acquisition systems are composed by a signal conditioning interface that includes sensors and the necessary electronic components to signal digitalization. At the end there's a personal computer to allow the user to interface with the sampled data, and develop higher-end applications.

In this document is described the development of a USB powered data acquisition card (DAQ) with USB communication. A PIC32MX460F512L microcontroller is used to control all the card integrated circuits, with the help of the FT2232H device that implements and allows USB communication with the personal computer. The data acquisition device features 4 differential channels, with simultaneous sampling at a maximum sampling rate of 150 kS/s. All the control is done using the USB protocol with the help of an application developed in LabVIEW software that allows its use also on LabVIEW using some configuration and control functions.

 

Keywords:

DAQ, ADC, USB, PIC, Data Acquisition.

 

 

Aluno Nº: 57792

Candidato: André Filipe da Silva Leitão

Título: Gerador de funções alimentado e controlado por USB

 

Júri

Presidente: Professor Doutor Moisés Simões Piedade

Orientador: Professor Doutor Pedro Miguel Pinto Ramos

Vogal: Engº António Joaquim dos Santos Romão Serralheiro (INESC)

 

Data: 15 de Novembro de 2011

Hora: 17:00h

Local: Taguspark, Sala 1.38

 

Resumo da Tese:

Uma das áreas de investigação e desenvolvimento do Instituto de Telecomunicações tem como base a produção de módulos funcionais de baixo consumo e elevada portabilidade com a função de gerar sinais para estímulo/alimentação de outros módulos. Os sistemas de geração de sinais mais recentes utilizam técnicas digitais, permitindo oferecer comutações rápidas entre as frequências de saída, resolução de frequência ao nível dos µHz e trabalhando sobre um amplo espectro de frequências.

Neste âmbito pretende-se desenvolver um gerador de funções controlado e alimentado por USB (Universal Serial Bus), com tamanho reduzido (comparado com os geradores de bancada). Neste trabalho é usado um microcontrolador PIC (Peripheral Interface Controller) que comunica com um gerador programável de síntese digital directa, comandando a frequência e forma do sinal de saída (sinusoidal, triangular ou quadrada). Através de uma aplicação desenvolvida em LabVIEW é estabelecida a comunicação de um computador com o microcontrolador para que sejam enviados os parâmetros do sinal que o utilizador deseja que seja gerado. Como o gerador programável controla a frequência do sinal de saída mas não controla a sua amplitude é necessário incluir um circuito amplificador com ganho programável. Foram também consideradas outras funcionalidades como a variação automática da frequência do sinal (varrimento de frequência) e a utilização de dois modos de controlo do gerador: através da aplicação desenvolvida ou usando controlos externos.

 

Palavras-chave:

Gerador de funções, DDS, USB, PIC.

 

Abstract:

One of the current research and development areas of Instituto de Telecomunicações is based on the production of low power consumption functional modules with high portability to generate signals for stimulus/supply to other modules. The modern signal generating systems use digital techniques offering fast switching between output frequencies, frequency resolution at µHz level and working in a wide range of frequencies.

In this context the purpose of this work is to develop a function generator controlled and powered by USB (Universal Serial Bus) with reduced size (in comparison with bench top generators). In this work a PIC microcontroller (Peripheral Interface Controller) is used to communicate with a DDS based programmable generator, controlling the frequency and output waveform (sinusoidal, triangular or square). Through a standalone application developed in LabVIEW the communication between a computer and the microcontroller is established to set the waveform parameters the user wants generated. As the programmable generator controls the output frequency but does not control its amplitude, it is necessary to add an amplifier circuit with programmable gain. In addition, other features such as frequency sweep and two control modes were also considered: through the application developed or using external controls.

 

Keywords:

Function generator, DDS, USB, PIC.