Multi-impairment and multi-channel optical performance monitoring

Next generation optical networks will evolve from static to dynamically reconfigurable architectures to meet the increasing bandwidth and service requirements. The benefits of dynamically reconfigurable networks (improved operations, reduced footprint and cost) have introduced new challenges, in particular the need for complex management which has put pressure on the engineering rules and transmission margins. This has provided the main drive to develop new techniques for optical performance monitoring (OPM) without using optical-to-electrical-to-optical conversions. When considering impairments due to chromatic dispersion in dynamic networks, each channel will traverse a unique path through the network thus the channels arriving at the monitoring point will, in general, exhibit different amounts of residual dispersion. Therefore, in a dynamic network it is necessary to monitor all channels individually to quantify the degradation, without the requirement of knowing the data path history. The monitoring feature can be used in conjunction with a dispersion compensation device which can either be optical or electrical or used to trigger real-time alarms for traffic re-routing. The proposed OPM technique is based on RF spectrum analysis and used for simultaneous and independent monitoring of power, chromatic dispersion (CD), polarisation mode dispersion (PMD) and optical signal-to-noise ratio (OSNR) in 40Gbit/s multi0channel systems. An analytical model is developed to describe the monitoring technique which allows the prediction of the measurement range. The experimental results are given for group velocity dispersion (GVD), differential group delay (DGD) and OSNR measurements. This technique is based on electro-optic down-conversion that simultaneously down-converts multiple channels, sharing the cost of the key components over multiple channels and making it cost effective for multi-channel operation. The measurement range achieved with this method is equal to 4742±100ps/nm for GVD, 200±4ps for DGD and 25±1dB for OSNR. To the knowledge of the author, these dispersion monitoring ranges are the largest reported to date for the bit-rate of 40Gbit/s with amplitude modulation formats

A built-in self-test technique for high speed analog-to-digital converters

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - PhD grant (SFRH/BD/62568/2009

Printed Electronics-Based Physically Unclonable Functions for Lightweight Security in the Internet of Things

Die moderne Gesellschaft strebt mehr denn je nach digitaler Konnektivität - überall und zu jeder Zeit - was zu Megatrends wie dem Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) führt. Bereits heute kommunizieren und interagieren „Dinge“ autonom miteinander und werden in Netzwerken verwaltet. In Zukunft werden Menschen, Daten und Dinge miteinander verbunden sein, was auch als Internet von Allem (Internet of Everything, IoE) bezeichnet wird. Milliarden von Geräten werden in unserer täglichen Umgebung allgegenwärtig sein und über das Internet in Verbindung stehen. Als aufstrebende Technologie ist die gedruckte Elektronik (Printed Electronics, PE) ein Schlüsselelement für das IoE, indem sie neuartige Gerätetypen mit freien Formfaktoren, neuen Materialien auf einer Vielzahl von Substraten mit sich bringt, die flexibel, transparent und biologisch abbaubar sein können. Darüber hinaus ermöglicht PE neue Freiheitsgrade bei der Anpassbarkeit von Schaltkreisen sowie die kostengünstige und großflächige Herstellung am Einsatzort. Diese einzigartigen Eigenschaften von PE ergänzen herkömmliche Technologien auf Siliziumbasis. Additive Fertigungsprozesse ermöglichen die Realisierung von vielen zukunftsträchtigen Anwendungen wie intelligente Objekte, flexible Displays, Wearables im Gesundheitswesen, umweltfreundliche Elektronik, um einige zu nennen. Aus der Sicht des IoE ist die Integration und Verbindung von Milliarden heterogener Geräte und Systeme eine der größten zu lösenden Herausforderungen. Komplexe Hochleistungsgeräte interagieren mit hochspezialisierten, leichtgewichtigen elektronischen Geräten, wie z.B. Smartphones mit intelligenten Sensoren. Daten werden in der Regel kontinuierlich gemessen, gespeichert und mit benachbarten Geräten oder in der Cloud ausgetauscht. Dabei wirft die Fülle an gesammelten und verarbeiteten Daten Bedenken hinsichtlich des Datenschutzes und der Sicherheit auf. Herkömmliche kryptografische Operationen basieren typischerweise auf deterministischen Algorithmen, die eine hohe Schaltungs- und Systemkomplexität erfordern, was sie wiederum für viele leichtgewichtige Geräte ungeeignet macht. Es existieren viele Anwendungsbereiche, in denen keine komplexen kryptografischen Operationen erforderlich sind, wie z.B. bei der Geräteidentifikation und -authentifizierung. Dabei hängt das Sicherheitslevel hauptsächlich von der Qualität der Entropiequelle und der Vertrauenswürdigkeit der abgeleiteten Schlüssel ab. Statistische Eigenschaften wie die Einzigartigkeit (Uniqueness) der Schlüssel sind von großer Bedeutung, um einzelne Entitäten genau unterscheiden zu können. In den letzten Jahrzehnten hat die Hardware-intrinsische Sicherheit, insbesondere Physically Unclonable Functions (PUFs), eine große Strahlkraft hinsichtlich der Bereitstellung von Sicherheitsfunktionen für IoT-Geräte erlangt. PUFs verwenden ihre inhärenten Variationen, um gerätespezifische eindeutige Kennungen abzuleiten, die mit Fingerabdrücken in der Biometrie vergleichbar sind. Zu den größten Potenzialen dieser Technologie gehören die Verwendung einer echten Zufallsquelle, die Ableitung von Sicherheitsschlüsseln nach Bedarf sowie die inhärente Schlüsselspeicherung. In Kombination mit den einzigartigen Merkmalen der PE-Technologie werden neue Möglichkeiten eröffnet, um leichtgewichtige elektronische Geräte und Systeme abzusichern. Obwohl PE noch weit davon entfernt ist, so ausgereift und zuverlässig wie die Siliziumtechnologie zu sein, wird in dieser Arbeit gezeigt, dass PE-basierte PUFs vielversprechende Sicherheitsprimitiven für die Schlüsselgenerierung zur eindeutigen Geräteidentifikation im IoE sind. Dabei befasst sich diese Arbeit in erster Linie mit der Entwicklung, Untersuchung und Bewertung von PE-basierten PUFs, um Sicherheitsfunktionen für ressourcenbeschränkte gedruckte Geräte und Systeme bereitzustellen. Im ersten Beitrag dieser Arbeit stellen wir das skalierbare, auf gedruckter Elektronik basierende Differential Circuit PUF (DiffC-PUF) Design vor, um sichere Schlüssel für Sicherheitsanwendungen für ressourcenbeschränkte Geräte bereitzustellen. Die DiffC-PUF ist als hybride Systemarchitektur konzipiert, die siliziumbasierte und gedruckte Komponenten enthält. Es wird eine eingebettete PUF-Plattform entwickelt, um die Charakterisierung von siliziumbasierten und gedruckten PUF-Cores in großem Maßstab zu ermöglichen. Im zweiten Beitrag dieser Arbeit werden siliziumbasierte PUF-Cores auf Basis diskreter Komponenten hergestellt und statistische Tests unter realistischen Betriebsbedingungen durchgeführt. Eine umfassende experimentelle Analyse der PUF-Sicherheitsmetriken wird vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die DiffC-PUF auf Siliziumbasis nahezu ideale Werte für die Uniqueness- und Reliability-Metriken aufweist. Darüber hinaus werden die Identifikationsfähigkeiten der DiffC-PUF untersucht, und es stellte sich heraus, dass zusätzliches Post-Processing die Identifizierbarkeit des Identifikationssystems weiter verbessern kann. Im dritten Beitrag dieser Arbeit wird zunächst ein Evaluierungsworkflow zur Simulation von DiffC-PUFs basierend auf gedruckter Elektronik vorgestellt, welche auch als Hybrid-PUFs bezeichnet werden. Hierbei wird eine Python-basierte Simulationsumgebung vorgestellt, welche es ermöglicht, die Eigenschaften und Variationen gedruckter PUF-Cores basierend auf Monte Carlo (MC) Simulationen zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Sicherheitsmetriken im besten Betriebspunkt nahezu ideal sind. Des Weiteren werden angefertigte PE-basierte PUF-Cores für statistische Tests unter verschiedenen Betriebsbedingungen, einschließlich Schwankungen der Umgebungstemperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit und der Versorgungsspannung betrieben. Die experimentell bestimmten Resultate der Uniqueness-, Bit-Aliasing- und Uniformity-Metriken stimmen gut mit den Simulationsergebnissen überein. Der experimentell ermittelte durchschnittliche Reliability-Wert ist relativ niedrig, was durch die fehlende Passivierung und Einkapselung der gedruckten Transistoren erklärt werden kann. Die Untersuchung der Identifikationsfähigkeiten basierend auf den PUF-Responses zeigt, dass die Hybrid-PUF ohne zusätzliches Post-Processing nicht für kryptografische Anwendungen geeignet ist. Die Ergebnisse zeigen aber auch, dass sich die Hybrid-PUF zur Geräteidentifikation eignet. Der letzte Beitrag besteht darin, in die Perspektive eines Angreifers zu wechseln. Um die Sicherheitsfähigkeiten der Hybrid-PUF beurteilen zu können, wird eine umfassende Sicherheitsanalyse nach Art einer Kryptoanalyse durchgeführt. Die Analyse der Entropie der Hybrid-PUF zeigt, dass seine Anfälligkeit für Angriffe auf Modellbasis hauptsächlich von der eingesetzten Methode zur Generierung der PUF-Challenges abhängt. Darüber hinaus wird ein Angriffsmodell eingeführt, um die Leistung verschiedener mathematischer Klonangriffe auf der Grundlage von abgehörten Challenge-Response Pairs (CRPs) zu bewerten. Um die Hybrid-PUF zu klonen, wird ein Sortieralgorithmus eingeführt und mit häufig verwendeten Classifiers für überwachtes maschinelles Lernen (ML) verglichen, einschließlich logistischer Regression (LR), Random Forest (RF) sowie Multi-Layer Perceptron (MLP). Die Ergebnisse zeigen, dass die Hybrid-PUF anfällig für modellbasierte Angriffe ist. Der Sortieralgorithmus profitiert von kürzeren Trainingszeiten im Vergleich zu den ML-Algorithmen. Im Falle von fehlerhaft abgehörten CRPs übertreffen die ML-Algorithmen den Sortieralgorithmus

Proton diffusion spectroscopy and modeling of brain metabolism at 14.1T

As a field at the CIBM, Nuclear magnetic resonance (NMR)spectroscopy can be applied non-invasively to explore the metabolic fate of energy fuel substrates, as well as the rate at which they are consumed, using 13C and 1H nuclei. The work of this thesis encompasses both nuclei, and focuses on (1) improving the quantification and modeling of glucose-derived metabolites; and (2) characterizing diffusion-related parameters of the purportedly glial-specific energy substrate, acetate. Both aim to quantitatively explore cerebral energy metabolism, at ultra-high magnetic field, in vivo, in the healthy rat. 13C NMR spectroscopy, as a tool, enables measuring the progressive incorporation of 13C-glucose into brain glucose and then NMR detectable amino acids (glutamate and glutamine); this relies on the infusion of the 13C-labeled energy substrate. The experimentally obtained 13C labelling curves are analyzed using suitable mathematical models to provide an estimation of cerebral metabolic rates. Here, a dynamic model of time-courses of 13C multiplets arising from isotopomers was considered. So beyond the two-compartment neuronal-glial model, we took into account additional data on the dynamics of 13C isotopomers, available from the fine structure multiplets in 13C spectra of glutamate and glutamine, measured under prolonged [1-6,13C] glucose infusion. We concluded that the dynamic analyses of 13C multiplet time courses of glutamate and glutamine resulted in a higher precision for estimating the absolute values of most cerebral metabolic rates. Acetate metabolism is challenging because dynamic metabolic modeling requires prior knowledge of the transport and uptake kinetics of infused acetate. We sought this information by determining the apparent concentration and distribution volume (V_d) of cerebral acetate between the intracellular and the extracellular compartments. Experimentally, the diffusion characteristics of cerebral acetate were measured, relative to that of N-Acetylaspartate (NAA, known to be mainly intracellular) using diffusion-weighted 1H NMR spectroscopy at 14.1T, under prolonged acetate infusion. The detection of an acetate and NAA signal at large diffusion weighting provided direct experimental evidence of intracellular cerebral acetate and NAA, although a substantial fraction of acetate was extracellular. To estimate the apparent concentration of in vivo brain acetate, T1 and T2 relaxation times of acetate were measured. The longer T1 relaxation and shorter T2 relaxation times of acetate compared with NAA provided evidence of its small molecular size, and possibly different chemical environment. Our experimentally determined value of V_dled to cerebral metabolic rates of acetate (CMR acetate) of the same order reported for the glial Krebâs cycle rate, an indication that estimates of CMR acetate are highly dependent on V_d. Finally, in order to pursue metabolic mapping of cerebral acetate uptake in the rat, in vivo, at 14.1 T, the design and construction of a combined transmit-birdcage coil and receive-quadrature pair surface coil was considered. Its performance was compared to a single birdcage coil in the transmit/receive mode. So far, the preliminary results of the 2-coil configuration are promising: homogenous excitation and a gain in sensitivity up to a distance of 5 mm are achievable. Improvements are ongoing for NMR spectroscopic and imaging applications at 14.1 T

Ultra-low noise, high-frame rate readout design for a 3D-stacked CMOS image sensor

Due to the switch from CCD to CMOS technology, CMOS based image sensors have become smaller, cheaper, faster, and have recently outclassed CCDs in terms of image quality. Apart from the extensive set of applications requiring image sensors, the next technological breakthrough in imaging would be to consolidate and completely shift the conventional CMOS image sensor technology to the 3D-stacked technology. Stacking is recent and an innovative technology in the imaging field, allowing multiple silicon tiers with different functions to be stacked on top of each other. The technology allows for an extreme parallelism of the pixel readout circuitry. Furthermore, the readout is placed underneath the pixel array on a 3D-stacked image sensor, and the parallelism of the readout can remain constant at any spatial resolution of the sensors, allowing extreme low noise and a high-frame rate (design) at virtually any sensor array resolution. The objective of this work is the design of ultra-low noise readout circuits meant for 3D-stacked image sensors, structured with parallel readout circuitries. The readout circuit’s key requirements are low noise, speed, low-area (for higher parallelism), and low power. A CMOS imaging review is presented through a short historical background, followed by the description of the motivation, the research goals, and the work contributions. The fundamentals of CMOS image sensors are addressed, as a part of highlighting the typical image sensor features, the essential building blocks, types of operation, as well as their physical characteristics and their evaluation metrics. Following up on this, the document pays attention to the readout circuit’s noise theory and the column converters theory, to identify possible pitfalls to obtain sub-electron noise imagers. Lastly, the fabricated test CIS device performances are reported along with conjectures and conclusions, ending this thesis with the 3D-stacked subject issues and the future work. A part of the developed research work is located in the Appendices.Devido à mudança da tecnologia CCD para CMOS, os sensores de imagem em CMOS tornam se mais pequenos, mais baratos, mais rápidos, e mais recentemente, ultrapassaram os sensores CCD no que respeita à qualidade de imagem. Para além do vasto conjunto de aplicações que requerem sensores de imagem, o próximo salto tecnológico no ramo dos sensores de imagem é o de mudar completamente da tecnologia de sensores de imagem CMOS convencional para a tecnologia “3D-stacked”. O empilhamento de chips é relativamente recente e é uma tecnologia inovadora no campo dos sensores de imagem, permitindo vários planos de silício com diferentes funções poderem ser empilhados uns sobre os outros. Esta tecnologia permite portanto, um paralelismo extremo na leitura dos sinais vindos da matriz de píxeis. Além disso, num sensor de imagem de planos de silício empilhados, os circuitos de leitura estão posicionados debaixo da matriz de píxeis, sendo que dessa forma, o paralelismo pode manter-se constante para qualquer resolução espacial, permitindo assim atingir um extremo baixo ruído e um alto debito de imagens, virtualmente para qualquer resolução desejada. O objetivo deste trabalho é o de desenhar circuitos de leitura de coluna de muito baixo ruído, planeados para serem empregues em sensores de imagem “3D-stacked” com estruturas altamente paralelizadas. Os requisitos chave para os circuitos de leitura são de baixo ruído, rapidez e pouca área utilizada, de forma a obter-se o melhor rácio. Uma breve revisão histórica dos sensores de imagem CMOS é apresentada, seguida da motivação, dos objetivos e das contribuições feitas. Os fundamentos dos sensores de imagem CMOS são também abordados para expor as suas características, os blocos essenciais, os tipos de operação, assim como as suas características físicas e suas métricas de avaliação. No seguimento disto, especial atenção é dada à teoria subjacente ao ruído inerente dos circuitos de leitura e dos conversores de coluna, servindo para identificar os possíveis aspetos que dificultem atingir a tão desejada performance de muito baixo ruído. Por fim, os resultados experimentais do sensor desenvolvido são apresentados junto com possíveis conjeturas e respetivas conclusões, terminando o documento com o assunto de empilhamento vertical de camadas de silício, junto com o possível trabalho futuro

Lignin as a source of phenolic compounds: from lignin extraction to its transformtion by different routes.

201 p.En la presente Tesis Doctoral el trabajo desarrollado se ha centrado en la extracción y caracterización de lignina procedente de diversos tipos de material residual lignocelulósico, como el bagazo y hojas de agave azul, las cáscaras de almendra o restos de podas de olivo. Se propusieron distintos métodos libres de azufre para la extracción de lignina. Tras la caracterización físico-química de las distintas ligninas obtenidas se realizó una despolimerización termo-química de algunas de ellas para la obtención de compuestos fenólicos de tamaño monomérico como principal objetivo. Un novedoso planteamiento de despolimerización de lignina sin previo aislamiento fue experimentado con resultados similares al planteamiento convencional de despolimerización a partir de ligninas sólidas.Finalmente, el estudio tecno-económico de las diferentes rutas planteadas para la extracción y despolimerización de la lignina fue completado mediante la utilización de un software comercial de simulación de procesos químicos

Lignin as a source of phenolic compounds: from lignin extraction to its transformtion by different routes.

201 p.En la presente Tesis Doctoral el trabajo desarrollado se ha centrado en la extracción y caracterización de lignina procedente de diversos tipos de material residual lignocelulósico, como el bagazo y hojas de agave azul, las cáscaras de almendra o restos de podas de olivo. Se propusieron distintos métodos libres de azufre para la extracción de lignina. Tras la caracterización físico-química de las distintas ligninas obtenidas se realizó una despolimerización termo-química de algunas de ellas para la obtención de compuestos fenólicos de tamaño monomérico como principal objetivo. Un novedoso planteamiento de despolimerización de lignina sin previo aislamiento fue experimentado con resultados similares al planteamiento convencional de despolimerización a partir de ligninas sólidas.Finalmente, el estudio tecno-económico de las diferentes rutas planteadas para la extracción y despolimerización de la lignina fue completado mediante la utilización de un software comercial de simulación de procesos químicos

Design of an Ultra-wideband Radio Frequency Identification System with Chipless Transponders

The state-of-the-art commercially available radio-frequency identification (RFID) transponders are usually composed of an antenna and an application specific integrated circuit chip, which still makes them very costly compared to the well-established barcode technology. Therefore, a novel low-cost RFID system solution based on passive chipless RFID transponders manufactured using conductive strips on flexible substrates is proposed in this work. The chipless RFID transponders follow a specific structure design, which aim is to modify the shape of the impinged electromagnetic wave to embed anidentification code in it and then backscatter the encoded signal to the reader. This dissertation comprises a multidisciplinary research encompassing the design of low-cost chipless RFID transponders with a novel frequency coding technique, unlike usually disregarded in literature, this approach considers the communication channel effects and assigns a unique frequency response to each transponder. Hence, the identification codes are different enough, to reduce the detection error and improve their automatic recognition by the reader while working under normal conditions. The chipless RFID transponders are manufactured using different materials and state-of-the-art mass production fabrication processes, like printed electronics. Moreover, two different reader front-ends working in the ultra-wideband (UWB) frequency range are used to interrogate the chipless RFID transponders. The first one is built using high-performance off-theshelf components following the stepped frequency modulation (SFM) radar principle, and the second one is a commercially available impulse radio (IR) radar. Finally, the two readers are programmed with algorithms based on the conventional minimum distance and maximum likelihood detection techniques, considering the whole transponder radio frequency (RF) response, instead of following the commonly used approach of focusing on specific parts of the spectrum to detect dips or peaks. The programmed readers automatically identify when a chipless RFID transponder is placed within their interrogation zones and proceed to the successful recognition of its embedded identification code. Accomplishing in this way, two novel fully automatic SFM- and IRRFID readers for chipless transponders. The SFM-RFID system is capable to successfully decode up to eight different chipless RFID transponders placed sequentially at a maximum reading range of 36 cm. The IR-RFID system up to four sequentially and two simultaneously placed different chipless RFID transponders within a 50 cm range.:Acknowledgments Abstract Kurzfassung Table of Contents Index of Figures Index of Tables Index of Abbreviations Index of Symbols 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Scope of Application 1.3 Objectives and Structure Fundamentals of the RFID Technology 2.1 Automatic Identification Systems Background 2.1.1 Barcode Technology 2.1.2 Optical Character Recognition 2.1.3 Biometric Procedures 2.1.4 Smart Cards 2.1.5 RFID Systems 2.2 RFID System Principle 2.2.1 RFID Features 2.3 RFID with Chipless Transponders 2.3.1 Time Domain Encoding 2.3.2 Frequency Domain Encoding 2.4 Summary Manufacturing Technologies 3.1 Organic and Printed Electronics 3.1.1 Substrates 3.1.2 Organic Inks 3.1.3 Screen Printing 3.1.4 Flexography 3.2 The Printing Process 3.3 A Fabrication Alternative with Aluminum or Copper Strips 3.4 Fabrication Technologies for Chipless RFID Transponders 3.5 Summary UWB Chipless RFID Transponder Design 4.1 Scattering Theory 4.1.1 Radar Cross-Section Definition 4.1.2 Radar Absorbing Material’s Principle 4.1.3 Dielectric Multilayers Wave Matrix Analysis 4.1.4 Frequency Selective Surfaces 4.2 Double-Dipoles UWB Chipless RFID Transponder 4.2.1 An Infinite Double-Dipole Array 4.2.2 Double-Dipoles UWB Chipless Transponder Design 4.2.3 Prototype Fabrication 4.3 UWB Chipless RFID Transponder with Concentric Circles 4.3.1 Concentric Circles UWB Chipless Transponder 4.3.2 Concentric Rings UWB Chipless RFID Transponder 4.4 Concentric Octagons UWB Chipless Transponders 4.4.1 Concentric Octagons UWB Chipless Transponder Design 1 4.4.2 Concentric Octagons UWB Chipless Transponder Design 2 4.5 Summary 5. RFID Readers for Chipless Transponders 5.1 Background 5.1.1 The Radar Range Equation 5.1.2 Range Resolution 5.1.3 Frequency Band Selection 5.2 Frequency Domain Reader Test System 5.2.1 Stepped Frequency Waveforms 5.2.2 Reader Architecture 5.2.3 Test System Results 5.3 Time Domain Reader 5.3.1 Novelda Radar 5.3.2 Test System Results 5.4 Summary Detection of UWB Chipless RFID Transponders 6.1 Background 6.2 The Communication Channel 6.2.1 AWGN Channel Modeling and Detection 6.2.2 Free-Space Path Loss Modeling and Normalization 6.3 Detection and Decoding of Chipless RFID Transponders 6.3.1 Minimum Distance Detector 6.3.2 Maximum Likelihood Detector 6.3.3 Correlator Detector 6.3.4 Test Results 6.4 Simultaneous Detection of Multiple UWB Chipless Transponders 6.5 Summary System Implementation 7.1 SFM-UWB RFID System with CR-Chipless Transponders 7.2 IR-UWB RFID System with COD1-Chipless Transponders 7.3 Summary Conclusion and Outlook References Publications Appendix A RCS Calculation Measurement Setups Appendix B Resistance and Skin Depth Calculation Appendix C List of Videos Test Videos Consortium Videos Curriculum Vita