Computational Modeling of Temporal EEG Responses to Cyclic Binary Visual Stimulus Patterns

The human visual system serves as the basis for many modern computer vision and machine learning approaches. While detailed biophysical models of certain aspects of the visual system exist, little work has been done to develop an end-to-end model from the visual stimulus to the signals generated at the visual cortex measured via the scalp electroencephalogram (EEG). The creation of such a model would not only provide a better understanding of the visual processing pathways but would also facilitate the design and evaluation of more robust visual stimuli for brain-computer interfaces (BCIs). A novel experiment was designed and conducted where 15 participants viewed stereotyped visual stimuli while their EEG was recorded simultaneously. The resulting EEG responses were characterized across participants. Furthermore, a Residual Connection Feed Forward system identification Neural Network (ReCon FFNN) was implemented as a preliminary end-to-end model of the visual system that uses the temporal characteristics of the visual stimulus as the model input and the corresponding EEG time series as the model output. This preliminary model was able to reproduce temporal and spectral characteristics of the EEG and serves as a proof of concept for the development of future artificial neural network or biophysical models that incorporate spatio-temporal information

Transforming Gaussian correlations. Applications to generating long-range power-law correlated time series with arbitrary distribution

Política de acceso abierto tomada de: https://v2.sherpa.ac.uk/id/publication/9866?template=romeoThe observable outputs of many complex dynamical systems consist in time series exhibiting autocorrelation functions of great diversity of behaviors, including long-range power-law autocorre- lation functions, as a signature of interactions operating at many temporal or spatial scales. Often, numerical algorithms able to generate correlated noises reproducing the properties of real time se- ries are used to study and characterize such systems. Typically, those algorithms produce Gaussian time series. However, real, experimentally observed time series are often non-Gaussian, and may follow distributions with a diversity of behaviors concerning the support, the symmetry or the tail properties. Given a correlated Gaussian time series, it is always possible to transform it into a time series with a different distribution, but the question is how this transformation affects the behavior of the autocorrelation function. Here, we study analytically and numerically how the Pearson’s cor- relation of two Gaussian variables changes when the variables are transformed to follow a different destination distribution. Specifically, we consider bounded and unbounded distributions, symmetric and non-symmetric distributions, and distributions with different tail properties, from decays faster than exponential to heavy tail cases including power-laws, and we find how these properties affect the correlation of the final variables. We extend these results to Gaussian time series which are transformed to have a different marginal distribution, and show how the autocorrelation function of the final non-Gaussian time series depends on the Gaussian correlations and on the final marginal distribution.Consejerı́a de Conocimiento, Investigación y Universidad, Junta de Andalucía and European Regional Development Fund (ERDF), ref. SOMM17/6105/UGR and FQM-362

Digital Design of New Chaotic Ciphers for Ethernet Traffic

Durante los últimos años, ha habido un gran desarrollo en el campo de la criptografía, y muchos algoritmos de encriptado así como otras funciones criptográficas han sido propuestos.Sin embargo, a pesar de este desarrollo, hoy en día todavía existe un gran interés en crear nuevas primitivas criptográficas o mejorar las ya existentes. Algunas de las razones son las siguientes:• Primero, debido el desarrollo de las tecnologías de la comunicación, la cantidad de información que se transmite está constantemente incrementándose. En este contexto, existen numerosas aplicaciones que requieren encriptar una gran cantidad de datos en tiempo real o en un intervalo de tiempo muy reducido. Un ejemplo de ello puede ser el encriptado de videos de alta resolución en tiempo real. Desafortunadamente, la mayoría de los algoritmos de encriptado usados hoy en día no son capaces de encriptar una gran cantidad de datos a alta velocidad mientras mantienen altos estándares de seguridad.• Debido al gran aumento de la potencia de cálculo de los ordenadores, muchos algoritmos que tradicionalmente se consideraban seguros, actualmente pueden ser atacados por métodos de “fuerza bruta” en una cantidad de tiempo razonable. Por ejemplo, cuando el algoritmo de encriptado DES (Data Encryption Standard) fue lanzado por primera vez, el tamaño de la clave era sólo de 56 bits mientras que, hoy en día, el NIST (National Institute of Standards and Technology) recomienda que los algoritmos de encriptado simétricos tengan una clave de, al menos, 112 bits. Por otro lado, actualmente se está investigando y logrando avances significativos en el campo de la computación cuántica y se espera que, en el futuro, se desarrollen ordenadores cuánticos a gran escala. De ser así, se ha demostrado que algunos algoritmos que se usan actualmente como el RSA (Rivest Shamir Adleman) podrían ser atacados con éxito.• Junto al desarrollo en el campo de la criptografía, también ha habido un gran desarrollo en el campo del criptoanálisis. Por tanto, se están encontrando nuevas vulnerabilidades y proponiendo nuevos ataques constantemente. Por consiguiente, es necesario buscar nuevos algoritmos que sean robustos frente a todos los ataques conocidos para sustituir a los algoritmos en los que se han encontrado vulnerabilidades. En este aspecto, cabe destacar que algunos algoritmos como el RSA y ElGamal están basados en la suposición de que algunos problemas como la factorización del producto de dos números primos o el cálculo de logaritmos discretos son difíciles de resolver. Sin embargo, no se ha descartado que, en el futuro, se puedan desarrollar algoritmos que resuelvan estos problemas de manera rápida (en tiempo polinomial).• Idealmente, las claves usadas para encriptar los datos deberían ser generadas de manera aleatoria para ser completamente impredecibles. Dado que las secuencias generadas por generadores pseudoaleatorios, PRNGs (Pseudo Random Number Generators) son predecibles, son potencialmente vulnerables al criptoanálisis. Por tanto, las claves suelen ser generadas usando generadores de números aleatorios verdaderos, TRNGs (True Random Number Generators). Desafortunadamente, los TRNGs normalmente generan los bits a menor velocidad que los PRNGs y, además, las secuencias generadas suelen tener peores propiedades estadísticas, lo que hace necesario que pasen por una etapa de post-procesado. El usar un TRNG de baja calidad para generar claves, puede comprometer la seguridad de todo el sistema de encriptado, como ya ha ocurrido en algunas ocasiones. Por tanto, el diseño de nuevos TRNGs con buenas propiedades estadísticas es un tema de gran interés.En resumen, es claro que existen numerosas líneas de investigación en el ámbito de la criptografía de gran importancia. Dado que el campo de la criptografía es muy amplio, esta tesis se ha centra en tres líneas de investigación: el diseño de nuevos TRNGs, el diseño de nuevos cifradores de flujo caóticos rápidos y seguros y, finalmente, la implementación de nuevos criptosistemas para comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet a velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Dichos criptosistemas han estado basados en los algoritmos caóticos propuestos, pero se han adaptado para poder realizar el encriptado en la capa física, manteniendo el formato de la codificación. De esta forma, se ha logrado que estos sistemas sean capaces no sólo de encriptar los datos sino que, además, un atacante no pueda saber si se está produciendo una comunicación o no. Los principales aspectos cubiertos en esta tesis son los siguientes:• Estudio del estado del arte, incluyendo los algoritmos de encriptado que se usan actualmente. En esta parte se analizan los principales problemas que presentan los algoritmos de encriptado standard actuales y qué soluciones han sido propuestas. Este estudio es necesario para poder diseñar nuevos algoritmos que resuelvan estos problemas.• Propuesta de nuevos TRNGs adecuados para la generación de claves. Se exploran dos diferentes posibilidades: el uso del ruido generado por un acelerómetro MEMS (Microelectromechanical Systems) y el ruido generado por DNOs (Digital Nonlinear Oscillators). Ambos casos se analizan en detalle realizando varios análisis estadísticos a secuencias obtenidas a distintas frecuencias de muestreo. También se propone y se implementa un algoritmo de post-procesado simple para mejorar la aleatoriedad de las secuencias generadas. Finalmente, se discute la posibilidad de usar estos TRNGs como generadores de claves. • Se proponen nuevos algoritmos de encriptado que son rápidos, seguros y que pueden implementarse usando una cantidad reducida de recursos. De entre todas las posibilidades, esta tesis se centra en los sistemas caóticos ya que, gracias a sus propiedades intrínsecas como la ergodicidad o su comportamiento similar al comportamiento aleatorio, pueden ser una buena alternativa a los sistemas de encriptado clásicos. Para superar los problemas que surgen cuando estos sistemas son digitalizados, se proponen y estudian diversas estrategias: usar un sistema de multi-encriptado, cambiar los parámetros de control de los sistemas caóticos y perturbar las órbitas caóticas.• Se implementan los algoritmos propuestos. Para ello, se usa una FPGA Virtex 7. Las distintas implementaciones son analizadas y comparadas, teniendo en cuenta diversos aspectos tales como el consumo de potencia, uso de área, velocidad de encriptado y nivel de seguridad obtenido. Uno de estos diseños, se elige para ser implementado en un ASIC (Application Specific Integrate Circuit) usando una tecnología de 0,18 um. En cualquier caso, las soluciones propuestas pueden ser también implementadas en otras plataformas y otras tecnologías.• Finalmente, los algoritmos propuestos se adaptan y aplican a comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet. En particular, se implementan criptosistemas que realizan el encriptado al nivel de la capa física para velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Para realizar el encriptado en la capa física, los algoritmos propuestos en las secciones anteriores se adaptan para que preserven el formato de la codificación, 8b/10b en el caso de 1 Gb Ethernet y 64b/10b en el caso de 10 Gb Ethernet. En ambos casos, los criptosistemas se implementan en una FPGA Virtex 7 y se diseña un set experimental, que incluye dos módulos SFP (Small Form-factor Pluggable) capaces de transmitir a una velocidad de hasta 10.3125 Gbps sobre una fibra multimodo de 850 nm. Con este set experimental, se comprueba que los sistemas de encriptado funcionan correctamente y de manera síncrona. Además, se comprueba que el encriptado es bueno (pasa todos los test de seguridad) y que el patrón del tráfico de datos está oculto.<br /

TDRSS telecommunications system, PN code analysis

The pseudo noise (PN) codes required to support the TDRSS telecommunications services are analyzed and the impact of alternate coding techniques on the user transponder equipment, the TDRSS equipment, and all factors that contribute to the acquisition and performance of these telecommunication services is assessed. Possible alternatives to the currently proposed hybrid FH/direct sequence acquisition procedures are considered and compared relative to acquisition time, implementation complexity, operational reliability, and cost. The hybrid FH/direct sequence technique is analyzed and rejected in favor of a recommended approach which minimizes acquisition time and user transponder complexity while maximizing probability of acquisition and overall link reliability

Radar Technology

In this book “Radar Technology”, the chapters are divided into four main topic areas: Topic area 1: “Radar Systems” consists of chapters which treat whole radar systems, environment and target functional chain. Topic area 2: “Radar Applications” shows various applications of radar systems, including meteorological radars, ground penetrating radars and glaciology. Topic area 3: “Radar Functional Chain and Signal Processing” describes several aspects of the radar signal processing. From parameter extraction, target detection over tracking and classification technologies. Topic area 4: “Radar Subsystems and Components” consists of design technology of radar subsystem components like antenna design or waveform design

Bistatic synthetitc aperture radar imaging based on Geostationatry transmitters and Ground-Based receivers

This thesis belongs to the remote sensing field, particularly on the Geostationary Synthetic Aperture Radar (SAR) imaging systems with on-ground receiver. These systems forms images taking the signals along the orbital track of one satellite while the receiver is placed on the Earth coherently processing the echoes received by the receiver. The study presented in this thesis is centered in an algorithm known as back projection algorithm that presents the main advantage that is possible to permanently acquire images from the same region thanks to the small motion of the platform with respect to the Earth. An introduction to all the important aspects of the GEOSAR mission is presented in order to let the reader known all the important information of why it is important to study the Synthetic Aperture Radars (SAR) mounted on geostationary satellite platforms. Moreover, an introduction to orbits, coordinates systems and Synthetic Aperture Radar (SAR) is essential in order to understand the algorithm developed in this thesis for obtaining SAR images from a geostationary orbit with the receiver placed on ground. So a detailed explanation of all this topics is developed during this thesis. The main section of this thesis presents the development of a back projection algorithm for a GEOSAR satellite with on ground receiver. Detailed explanations on how each block of the algorithm has been developed and which are the main functionalities of each block are explained and analysed. Finally, a test in order to prove that the algorithm works as expected has been performed in order to see if it is possible to obtain SAR images from a geostationary orbit using this geometry

Performance Evaluation of Phase Optimized Spreading Codes in Non Linear DS-CDMA Receiver

Spread spectrum (SS) is a modulation technique in which the signal occupies a bandwidth much larger than the minimum necessary to send the information. A synchronized reception with the code at the receiver is used for despreading the information before data recovery. Bandspread is accomplished by means of a code which is independent of the data. Bandspreading code is pseudo-random, thus the spread signal resembles noise. The coded modulation characteristic of SS system uniquely qualifies it for navigation applications. Any signal used in ranging is subject to time/distance relations. A SS signal has advantage that its phase is easily resolvable. Direct-sequence (DS) form of modulation is mostly preferred over Frequency Hopping system (FH) as FH systems do not normally possess high resolution properties. Higher the chip rate, the better the measurement capability. The basic resolution is one code chip. Initially, some existing code families e.g. Gold, Kasami (large and smal..

Controlling the Size of Autocorrelation Robust Tests

Autocorrelation robust tests are notorious for suffering from size distortions and power problems. We investigate under which conditions the size of autocorrelation robust tests can be controlled by an appropriate choice of critical value