Reconfigurable Multiband Dynamic Range Compression-based FRM Filter for Hearing Aid

In this research, we present an innovative method for enhancing the performance of hearing aids using a Multiband Dynamic Range Compression-based Reconfigurable Frequency Response Masking (FRM) Filterbank. First, a unform16-band reconfigurable filter bank, which is reconfigurable, is designed utilizing the FRM scheme. The strategic arrangement of each sub-band within the proposed filter bank is meticulously prepared to optimize the matching performance. Based on the hearing characteristics of patients, the sub-bands can be distributed in low, medium, and high-frequency regions. Also, the gain can be adjusted per the patient's hearing profile from their audiogram for better auditory compensation. Further, the Multiband Dynamic Range Compression (MBDRC) technique is applied to address the specific needs of individuals with different frequency-dependent hearing impairments. It involves using dynamic range compression independently to different frequency sub-bands within a filter bank. In MBDRC, the compression parameters, such as compression threshold and ratio, can be adjusted independently for every subband. It allows for a more tailored approach to address the specific hearing needs of different frequency regions. If an individual has more severe hearing loss in high-frequency regions, higher compression ratios and lower compression thresholds can be applied to those subbands to amplify and improve audibility for high-frequency sounds. Once dynamic range compression is applied to each sub-band, the resultant sub-bands are reassembled to yield the ultimate output signal, which can subsequently be transmitted to the speaker or receiver of the hearing aid. A GUI can be helpful for better visualization and parameter control, including gain adjustment and compression parameters of this entire process. With this aim in mind, a GUI has been developed on MATLAB. Different audio files can be imported, and their frequency response can be generated and observed. Based on a person's audiogram, the control parameters can be set to low, medium, or high. Their sub-band distribution in low, medium, and high-frequency regions can be visualized. Further, the filter bank makes automatic gain adjustments, as seen in the GUI. The gain points for each band can also be manually adjusted according to users' hearing characteristics to minimize the error. Also, the compression parameters can be set separately for each subband as per the hearing requirement of the patient. Further, the processed output can be visualized in the output frequency response tab, and the input and output audio signals can be analyzed

Principles of Neuromorphic Photonics

In an age overrun with information, the ability to process reams of data has become crucial. The demand for data will continue to grow as smart gadgets multiply and become increasingly integrated into our daily lives. Next-generation industries in artificial intelligence services and high-performance computing are so far supported by microelectronic platforms. These data-intensive enterprises rely on continual improvements in hardware. Their prospects are running up against a stark reality: conventional one-size-fits-all solutions offered by digital electronics can no longer satisfy this need, as Moore's law (exponential hardware scaling), interconnection density, and the von Neumann architecture reach their limits. With its superior speed and reconfigurability, analog photonics can provide some relief to these problems; however, complex applications of analog photonics have remained largely unexplored due to the absence of a robust photonic integration industry. Recently, the landscape for commercially-manufacturable photonic chips has been changing rapidly and now promises to achieve economies of scale previously enjoyed solely by microelectronics. The scientific community has set out to build bridges between the domains of photonic device physics and neural networks, giving rise to the field of \emph{neuromorphic photonics}. This article reviews the recent progress in integrated neuromorphic photonics. We provide an overview of neuromorphic computing, discuss the associated technology (microelectronic and photonic) platforms and compare their metric performance. We discuss photonic neural network approaches and challenges for integrated neuromorphic photonic processors while providing an in-depth description of photonic neurons and a candidate interconnection architecture. We conclude with a future outlook of neuro-inspired photonic processing.Comment: 28 pages, 19 figure

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 /

Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) II

This Edited Volume Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) II is a collection of reviewed and relevant research chapters, offering a comprehensive overview of recent developments in the field of Computer and Information Science. The book comprises single chapters authored by various researchers and edited by an expert active in the Computer and Information Science research area. All chapters are complete in itself but united under a common research study topic. This publication aims at providing a thorough overview of the latest research efforts by international authors on Computer and Information Science, and open new possible research paths for further novel developments

Survey of FPGA applications in the period 2000 – 2015 (Technical Report)

Romoth J, Porrmann M, Rückert U. Survey of FPGA applications in the period 2000 – 2015 (Technical Report).; 2017.Since their introduction, FPGAs can be seen in more and more different fields of applications. The key advantage is the combination of software-like flexibility with the performance otherwise common to hardware. Nevertheless, every application field introduces special requirements to the used computational architecture. This paper provides an overview of the different topics FPGAs have been used for in the last 15 years of research and why they have been chosen over other processing units like e.g. CPUs

Measurements, Models, Systems and Design

531 s.

Special Topics in Information Technology

This open access book presents thirteen outstanding doctoral dissertations in Information Technology from the Department of Electronics, Information and Bioengineering, Politecnico di Milano, Italy. Information Technology has always been highly interdisciplinary, as many aspects have to be considered in IT systems. The doctoral studies program in IT at Politecnico di Milano emphasizes this interdisciplinary nature, which is becoming more and more important in recent technological advances, in collaborative projects, and in the education of young researchers. Accordingly, the focus of advanced research is on pursuing a rigorous approach to specific research topics starting from a broad background in various areas of Information Technology, especially Computer Science and Engineering, Electronics, Systems and Control, and Telecommunications. Each year, more than 50 PhDs graduate from the program. This book gathers the outcomes of the thirteen best theses defended in 2020-21 and selected for the IT PhD Award. Each of the authors provides a chapter summarizing his/her findings, including an introduction, description of methods, main achievements and future work on the topic. Hence, the book provides a cutting-edge overview of the latest research trends in Information Technology at Politecnico di Milano, presented in an easy-to-read format that will also appeal to non-specialists