Open-ended evolution to discover analogue circuits for beyond conventional applications

This is the author's accepted manuscript. The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s10710-012-9163-8. Copyright @ Springer 2012.Analogue circuits synthesised by means of open-ended evolutionary algorithms often have unconventional designs. However, these circuits are typically highly compact, and the general nature of the evolutionary search methodology allows such designs to be used in many applications. Previous work on the evolutionary design of analogue circuits has focused on circuits that lie well within analogue application domain. In contrast, our paper considers the evolution of analogue circuits that are usually synthesised in digital logic. We have developed four computational circuits, two voltage distributor circuits and a time interval metre circuit. The approach, despite its simplicity, succeeds over the design tasks owing to the employment of substructure reuse and incremental evolution. Our findings expand the range of applications that are considered suitable for evolutionary electronics

Distributed Integrated Circuits: An Alternative Approach to High-Frequency Design

Distributed integrated circuits are presented as a methodology to design high-frequency communication building blocks. Distributed circuits operate based on multiple parallel signal paths working in synchronization that can be used to enhance the frequency of operation, combine power, and enhance the robustness of the design. These multiple signal paths usually result in strong couplings inside the circuit that necessitate a treatment spanning architecture, circuits, devices, and electromagnetic levels of abstraction

The Rise of A District Lead Firm: The Case of Wam (1968-2003)

In recent years a major evolution in several industrial districts in Italy has been the emergence of new hierarchical structures that led to the rise of lead firms. These are firms that - contrary to canonical district firms which tend to remain small - pursue size growth, invest in marketing, distribution and R&D, reorganize their subcontracting networks, and become international by establishing commercial subsidiaries and prodcution facilities abroad. However, despite their increasing importance, lead firms' histories remain largely unexplored. This paper contributes to fill this gap by examining the case of one of such lead firms: Wam, a company set up in 1968 in the mechanical engineering district of Modena, which at the beginning of the 21st century had become the world leader in the production of bulk material handling and dust filtration machinery. This paper in particular focuses on the strategy of growth and internationalization that this company has pursued and its effects in both the host nations and in its Italian ID of origin.Italy; Industrial Districts; Lead firms; Internationalization.

Integrated performance prediction and quality control in manufacturing systems

textPredicting the condition of a degrading dynamic system is critical for implementing successful control and designing the optimal operation and maintenance strategies throughout the lifetime of the system. In many situations, especially in manufacturing, systems experience multiple degradation cycles, failures, and maintenance events throughout their lifetimes. In such cases, historical records of sensor readings observed during the lifecycle of a machine can yield vital information about degradation patterns of the monitored machine, which can be used to formulate dynamic models for predicting its future performance. Besides the ability to predict equipment failures, another major component of cost effective and high-throughput manufacturing is tight control of product quality. Quality control is assured by taking periodic measurements of the products at various stages of production. Nevertheless, quality measurements of the product require time and are often executed on costly measurement equipment, which increases the cost of manufacturing and slows down production. One possible way to remedy this situation is to utilize the inherent link between the manufacturing equipment condition, mirrored in the readings of sensors mounted on that machine, and the quality of products coming out of it. The concept of Virtual Metrology (VM) addresses the quality control problem by using data-driven models that relate the product quality to the equipment sensors, enabling continuous estimation of the quality characteristics of the product, even when physical measurements of product quality are not available. VM can thus bring significant production benefits, including improved process control, reduced quality losses and higher productivity. In this dissertation, new methods are formulated that will combine long-term performance prediction of sensory signatures from a degrading manufacturing machine with VM quality estimation, which enables integration of predictive condition monitoring (prediction of sensory signatures) with predictive manufacturing process control (predictive VM model). The recently developed algorithm for prediction of sensory signatures is capable of predicting the system condition by comparing the similarity of the most recent performance signatures with the known degradation patterns available in the historical records. The method accomplishes the prediction of non-Gaussian and non-stationary time-series of relevant performance signatures with analytical tractability, which enables calculations of predicted signature distributions with significantly greater speeds than what can be found in literature. VM quality estimation is implemented using the recently introduced growing structure multiple model system paradigm (GSMMS), based on the use of local linear dynamic models. The concept of local models enables representation of complex, non-linear dependencies with non-Gaussian and non-stationary noise characteristics, using a locally tractable model representation. Localized modeling enables a VM that can detect situations when the VM model is not adequate and needs to be improved, which is one of the main challenges in VM. Finally, uncertainty propagation with Monte Carlo simulation is pursued in order to propagate the predicted distributions of equipment signatures through the VM model to enable prediction of distributions of the quality variables using the readily available sensor readings streaming from the monitored manufacturing machine. The newly developed methods are applied to long-term production data coming from an industrial plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) tool operating in a major semiconductor manufacturing fab.Mechanical Engineerin

Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

Learning as a Nonlinear Line of Attraction for Pattern Association, Classification and Recognition

Development of a mathematical model for learning a nonlinear line of attraction is presented in this dissertation, in contrast to the conventional recurrent neural network model in which the memory is stored in an attractive fixed point at discrete location in state space. A nonlinear line of attraction is the encapsulation of attractive fixed points scattered in state space as an attractive nonlinear line, describing patterns with similar characteristics as a family of patterns. It is usually of prime imperative to guarantee the convergence of the dynamics of the recurrent network for associative learning and recall. We propose to alter this picture. That is, if the brain remembers by converging to the state representing familiar patterns, it should also diverge from such states when presented by an unknown encoded representation of a visual image. The conception of the dynamics of the nonlinear line attractor network to operate between stable and unstable states is the second contribution in this dissertation research. These criteria can be used to circumvent the plasticity-stability dilemma by using the unstable state as an indicator to create a new line for an unfamiliar pattern. This novel learning strategy utilizes stability (convergence) and instability (divergence) criteria of the designed dynamics to induce self-organizing behavior. The self-organizing behavior of the nonlinear line attractor model can manifest complex dynamics in an unsupervised manner. The third contribution of this dissertation is the introduction of the concept of manifold of color perception. The fourth contribution of this dissertation is the development of a nonlinear dimensionality reduction technique by embedding a set of related observations into a low-dimensional space utilizing the result attained by the learned memory matrices of the nonlinear line attractor network. Development of a system for affective states computation is also presented in this dissertation. This system is capable of extracting the user\u27s mental state in real time using a low cost computer. It is successfully interfaced with an advanced learning environment for human-computer interaction

Faster convergence in seismic history matching by dividing and conquering the unknowns

The aim in reservoir management is to control field operations to maximize both the short and long term recovery of hydrocarbons. This often comprises continuous optimization based on reservoir simulation models when the significant unknown parameters have been updated by history matching where they are conditioned to all available data. However, history matching of what is usually a high dimensional problem requires expensive computer and commercial software resources. Many models are generated, particularly if there are interactions between the properties that update and their effects on the misfit that measures the difference between model predictions to observed data. In this work, a novel 'divide and conquer' approach is developed to the seismic history matching method which efficiently searches for the best values of uncertain parameters such as barrier transmissibilities, net:gross, and permeability by matching well and 4D seismic predictions to observed data. The ‘divide’ is carried by applying a second order polynomial regression analysis to identify independent sub-volumes of the parameters hyperspace. These are then ‘conquered’ by searching separately but simultaneously with an adapted version of the quasi-global stochastic neighbourhood algorithm. This 'divide and conquer' approach is applied to the seismic history matching of the Schiehallion field, located on the UK continental shelf. The field model, supplied by the operator, contained a large number of barriers that affect flow at different times during production, and their transmissibilities were largely unknown. There was also some uncertainty in the petrophysical parameters that controlled permeability and net:gross. Application of the method was accomplished because it is found that the misfit function could be successfully represented as sub-misfits each dependent on changes in a smaller number of parameters which then could be searched separately but simultaneously. Ultimately, the number of models required to find a good match reduced by an order of magnitude. Experimental design was used to contribute to the efficiency and the ‘divide and conquer’ approach was also able to separate the misfit on a spatial basis by using time-lapse seismic data in the misfit. The method has effectively gained a greater insight into the reservoir behaviour and has been able to predict flow more accurately with a very efficient 'divide and conquer' approach