Pre-processing techniques for improved detection of vocalization sounds in a neonatal intensive care unit

The sounds occurring in the noisy acoustical environment of a Neonatal Intensive Care Unit (NICU) are thought to affect the growth and neurodevelopment of preterm infants. Automatic sound detection in a NICU is a novel and challenging problem, and it is an essential step in the investigation of how preterm infants react to auditory stimuli of the NICU environment. In this paper, we present our work on an automatic system for detection of vocalization sounds, which are extensively present in NICUs. The proposed system reduces the presence of irrelevant sounds prior to detection. Several pre-processing techniques are compared, which are based on either spectral subtraction or non-negative matrix factorization, or a combination of both. The vocalization sounds are detected from the enhanced audio signal using either generative or discriminative classification models. An audio database acquired in a real-world NICU environment is used to assess the performance of the detection system in terms of frame-level missing and false alarm rates. The inclusion of the enhancement pre-processing step leads to up to 17.54% relative improvement over the baseline.Peer ReviewedPostprint (published version

Plataforma d'automatització de mesures de TV White Spaces

Dissenyar i construir una plataforma SW que permeti configurar remotament l'analitzador d'espectres FSL6 de Rhode&Schwarz, per tal de fer mesures de TV White Spaces.[ANGLÈS] Spectrum analyzers are one of the most powerful equipment to study radio communications systems. Nowadays, due to the expansion of these systems with the consequent growth of traffic demand it is basic to study and measure the radio spectrum to improve its efficiency of use. This is because with the current technologies it is impossible to support more users or data in the limited radio spectrum bands. In order to support these measures, it is essential to have a platform to allow configure the spectrum analyzer and automate the sample capture. In this thesis, it has been designed and developed a platform with these capabilities, which supports the spectrum analyzer R&S®FSL6. Finally, it has been validated the platform obtained, capturing frequency traces in the different ways the platform is able to do it. In conclusion, it has been obtained a complete automation platform ready to use in any project which involves the spectrum analyzer R&S®FSL6. [CASTELLÀ] Los analizadores de espectro son uno de los equipos más potentes para estudiar los sistemas de comunicaciones radio. Hoy en día, debido a la expansión de estos sistemas y el consecuente crecimiento de la demanda de tráfico es básico estudiarlos haciendo medidas del espectro radioeléctrico para mejorar su eficiencia de uso. Esto es porque con las actuales tecnologías es imposible dar servicio a más usuarios o incrementar la capacidad en las limitadas bandas del espectro radioeléctrico. Para realizar estas medidas es esencial disponer de una plataforma que permita configurar el analizador de espectro y automatizar la captura de trazas. Así, en esta tesis, se ha diseñado y desarrollado una plataforma con estas capacidades que soporta el analizador R&S®FSL6. Finalmente, se ha validado la plataforma obtenida capturando trazas de frecuencia con los distintos métodos que la plataforma dispone. En conclusión, se ha obtenido una plataforma de automatización completa y lista para usar en cualquier proyecto que utilice el analizador de espectro R&S®FSL6.[CATALÀ]Els analitzadors d’espectre són un dels equips més potents per estudiar els sistemes de comunicacions ràdio. Avui en dia, a causa de l’expansió d’aquests sistemes amb el conseqüent creixement de la demanda de trànsit és bàsic estudiar-los fent mesures de l’espectre radioelèctric per tal de millorar la seva eficiència d’ús. Això és perquè amb les tecnologies actuals resulta impossible donar servei a més usuaris o incrementar la capacitat a les limitades bandes de l’espectre radioelèctric. Per tal de realitzar aquestes mesures, és essencial disposar d’una plataforma que permeti la configuració de l’analitzador d’espectre i que automatitzi la captura de mostres. Així en aquesta tesis, s’ha dissenyat i desenvolupat una plataforma amb aquestes capacitats i que dóna suport a l’analitzador d’espectre R&S®FSL6. Finalment, s’ha validat la plataforma desenvolupada, capturant traces freqüencials amb les diferents maneres que disposa la plataforma. En conclusió, s’ha obtingut una plataforma d’automatització completa i preparada per ser utilitzada en qualsevol projecte que utilitzi l’analitzador d’espectres R&S®FSL6

The effect of network coexistence on the performance of wireless sensor networks

With the coming growth in Internet of Things (IoT) applications, we can expect environ-ments with many independent networks operating in nearby locations. Wireless Sensor Networks (WSN), which have become popular during the last few years, are the main type of networks used in IoT. The IEEE 802.15.4 protocol designed for low-rate wireless personal area networks has been widely adopted for this kind of network. Together with ZigBee, this protocol is gaining increasing interest from the industry, as they are con-sidered a universal solution for low-cost, low-power, wireless connected monitoring and control devices. Internetwork interference issues in IEEE 802.15.4 networks can be a ma-jor problem because of the extensive use of wireless channels. In this thesis, an in-depth simulation study of the internetwork interferences is performed using Castalia, a widely used network simulator. We focus on the beacon collision problem, as it has been proved to be the main cause of performance degradation for coexisting networks. We carry out a prestudy of the main node simulation parameters to setup the different scenarios. Then, we evaluate how the overlap of the active periods and the location of the nodes affect the network performance. We continue with a network coexistence analysis to study the inter-action of two networks of two nodes and their performance regarding the beacon reception rate. We show that there are significantly different operation regions, depending on the network location. Following this, a probabilistic analysis is carried out in order to obtain an average beacon reception rate depending on the size of the area considered. Finally, we discuss available beacon collisions avoidance methods, taking into account the detailed simulation results. Our conclusions have theoretical and practical implications for the design of wireless sensor networks, and for the evaluation of beacon collisions avoidance schemes.Med den kommande tillväxten i sakernas Internet (IoT) applikationer är miljöer med många oberoende nätverk som verkar på närliggande ställen väntat. Trådlösa sensornätverk (WSN), som har blivit populära under de senaste åren, är den vanligaste typen av nät som används i sakernas Internet. IEEE 802.15.4 protokollen, konstruerad för låghastighet trådlösa personlig area nätverk, har fått stor spridning för WSNs. Tillsammans med ZigBee, får de en snabb ökat intresse från industrin, eftersom de betraktas som en universallösning för låg kostnad låg energi trådlös anslutning för övervaknings- och kontrollinstrument. Internätverk interferens i IEEE 802.15.4 nätverk kan vara ett stort problem på grund av den omfattande användningen av trådlösa kanaler. I denna avhandling är en djupgående simulation studie utfört med hjälp av Castalia, ett utbrett använt nätverk simulator. Vi fokuserar på beacon kollisionsproblem, eftersom det har visat sig vara den främsta orsaken till prestandaförsämring för samexisterande nätverk. Vi utför en förstudie av den viktigaste simulation parametrarna för att bestemma de olika scenarierna. Sedan utvärderar vi hur överlappningen av de aktiva perioderna och placeringen av noderna påverkar nätverkets prestanda. Vi fortsätter med en nätverksamexistens analys för att studera interaktionen mellan två nätverk av två noder, och deras prestanda avseende beacon mottagnings kvot. Vi visar att det finns betydligt olika operationsområdena, beroende på nätverksens placering. Därefter är en sannolikhetsanalys utfört för att erhålla en genomsnittlig beacon mottagnings kvot, beroende på storleken på betraktade områden. Slutligen diskuterar vi tillgängliga metoder för att undvika beacon kollision, med hänsyn till de detaljerade simuleringsresultaten. Våra slutsatser har teoretiska och praktiska kon-sekvenser för utformningen av trådlösa sensornätverk, och för utvärderingen a metoder för att undvika beacon kollision

L'efecte de la coexistència de xarxes al comportament de xarxes de sensors sense fils

With the coming growth in Internet of Things (IoT) applications, we can expect environments with many independent networks operating in nearby locations. Wireless Sensor Networks (WSN), which have become popular during the last few years, are the main type of networks used in IoT. The IEEE 802.15.4 protocol designed for low-rate wireless personal area networks has been widely adopted for this kind of network. Together with ZigBee, this protocol is gaining increasing interest from the industry, as they are considered a universal solution for low-cost, low-power, wireless connected monitoring and control devices. Internetwork interference issues in IEEE 802.15.4 networks can be a major problem because of the extensive use of wireless channels. In this thesis, an in-depth simulation study of the internetwork interferences is performed using Castalia, a widely used network simulator. We focus on the beacon collision problem, as it has been proved to be the main cause of performance degradation for coexisting networks. We carry out a prestudy of the main node simulation parameters to setup the different scenarios. Then, we evaluate how the overlap of the active periods and the location of the nodes affect the network performance. We continue with a network coexistence analysis to study the interaction of two networks of two nodes and their performance regarding the beacon reception rate. We show that there are significantly different operation regions, depending on the network location. Following this, a probabilistic analysis is carried out in order to obtain an average beacon reception rate depending on the size of the area considered. Finally, we discuss available beacon collisions avoidance methods, taking into account the detailed simulation results. Our conclusions have theoretical and practical implications for the design of wireless sensor networks, and for the evaluation of beacon collisions avoidance schemes.Con el futuro crecimiento de aplicaciones para el Internet de las Cosas (IoT), podemos esperar entornos con múltiples redes independientes operando en localizaciones cercanas. Las redes de sensores inalámbricas (WSN), que se han convertido populares en los últimos años, son el principal tipo de redes utilizadas por el IoT. El protocolo IEEE 802.15.4, que está diseñado para redes de área personal inalámbrica de baja velocidad, ha sido ampliamente adoptado para este tipo de red. Junto con ZigBee, protocolo que está ganando cada vez más interés por parte de la industria, se consideran una solución universal para dispositivos de control y monitorización inalámbrica de bajo coste y de bajo consumo de energía. Las interferencias entre redes que utilizan el estándar IEEE 802.15.4 pueden ser un problema importante debido a la amplia utilización de los canales inalámbricos. En esta tesis, realizamos un estudio en profundidad de las interferencias entre redes utilizando Castalia, un simulador de redes ampliamente usado. Nos centramos en el problema de la colisión de balizas, ya que se ha demostrado ser la principal causa de la degradación del rendimiento de este tipo de redes. Llevamos a cabo un pre estudio de los principales parámetros de simulación de cada nodo, para configurar los diferentes escenarios. A continuación, evaluamos como la superposición de los periodos activos y la ubicación de los nodos afectan al rendimiento de la red. Continuamos con un análisis de la coexistencia de redes para estudiar la interacción de dos redes formadas por un coordinador y dos nodos, y su rendimiento en cuanto al porcentaje de recepción de balizas. Demostramos que hay diferentes regiones de operación, dependiendo de la ubicación de red. Después de esto, realizamos un análisis probabilístico para obtener una tasa media de recepción de balizas en función del área considerada. Finalmente, se discuten los métodos de evitación de colisiones de balizas disponibles, teniendo en cuenta los resultados obtenidos con las simulaciones. Las conclusiones tienen implicaciones teóricas y prácticas para el diseño de redes de sensores inalámbricos, y para la evaluación de los métodos de evitación de colisiones de balizas.Amb el futur creixement d'aplicacions per l'Internet de les Coses (IoT), podem esperar entorns amb múltiples xarxes independents operant en localitzacions properes. Les xarxes de sensors sense fils (WSN), que han esdevingut populars en els últims anys, són el principal tipus de xarxes utilitzades per l'IoT. El protocol IEEE 802.15.4, que està dissenyat per a xarxes d'àrea personal sense fils de baixa velocitat, ha estat àmpliament adoptat per a aquest tipus de xarxa. Juntament amb ZigBee, protocol que està guanyant cada vegada més interès per part de la indústria, es consideren una solució universal per dispositius de control i monitorització sense fils de baix cost i de baix consum d'energia. Les interferències entre xarxes que utilitzen l'estàndard IEEE 802.15.4 poden ser un problema important a causa de l'àmplia utilització dels canals sense fil. En aquesta tesi, realitzem un estudi en profunditat de les interferències entre xarxes utilitzant Castalia, un simulador de xarxes àmpliament usat. Ens centrem en el problema de la col·lisió de balises, ja que s'ha demostrat ser la principal causa de la degradació del rendiment d'aquest tipus de xarxes. Duem a terme un preestudi dels principals paràmetres de simulació de cada node, per tal de configurar els diferents escenaris. A continuació, avaluem com la superposició dels períodes actius i la ubicació dels nodes afecten el rendiment de la xarxa. Continuem amb un anàlisi de la coexistència de xarxes per estudiar la interacció de dues xarxes formades per un coordinador i dos nodes, i el seu rendiment pel que fa al percentatge de recepció de balises. Demostrem que hi ha diferents regions d'operació, depenent de la ubicació de xarxa. Després d'això, realitzem un anàlisi probabilístic per tal d'obtenir una taxa mitjana de recepció de balises en funció de l'àrea considerada. Finalment, es discuteixen els mètodes d'evitació de col·lisions de balises disponibles, tenint en compte els resultats obtinguts amb les simulacions. Les conclusions tenen implicacions teòriques i pràctiques per al disseny de xarxes de sensors sense fils, i per a l'avaluació dels mètodes d'evitació de col·lisions de balises

Plataforma d'automatització de mesures de TV White Spaces

Dissenyar i construir una plataforma SW que permeti configurar remotament l'analitzador d'espectres FSL6 de Rhode&Schwarz, per tal de fer mesures de TV White Spaces.[ANGLÈS] Spectrum analyzers are one of the most powerful equipment to study radio communications systems. Nowadays, due to the expansion of these systems with the consequent growth of traffic demand it is basic to study and measure the radio spectrum to improve its efficiency of use. This is because with the current technologies it is impossible to support more users or data in the limited radio spectrum bands. In order to support these measures, it is essential to have a platform to allow configure the spectrum analyzer and automate the sample capture. In this thesis, it has been designed and developed a platform with these capabilities, which supports the spectrum analyzer R&S®FSL6. Finally, it has been validated the platform obtained, capturing frequency traces in the different ways the platform is able to do it. In conclusion, it has been obtained a complete automation platform ready to use in any project which involves the spectrum analyzer R&S®FSL6. [CASTELLÀ] Los analizadores de espectro son uno de los equipos más potentes para estudiar los sistemas de comunicaciones radio. Hoy en día, debido a la expansión de estos sistemas y el consecuente crecimiento de la demanda de tráfico es básico estudiarlos haciendo medidas del espectro radioeléctrico para mejorar su eficiencia de uso. Esto es porque con las actuales tecnologías es imposible dar servicio a más usuarios o incrementar la capacidad en las limitadas bandas del espectro radioeléctrico. Para realizar estas medidas es esencial disponer de una plataforma que permita configurar el analizador de espectro y automatizar la captura de trazas. Así, en esta tesis, se ha diseñado y desarrollado una plataforma con estas capacidades que soporta el analizador R&S®FSL6. Finalmente, se ha validado la plataforma obtenida capturando trazas de frecuencia con los distintos métodos que la plataforma dispone. En conclusión, se ha obtenido una plataforma de automatización completa y lista para usar en cualquier proyecto que utilice el analizador de espectro R&S®FSL6.[CATALÀ]Els analitzadors d’espectre són un dels equips més potents per estudiar els sistemes de comunicacions ràdio. Avui en dia, a causa de l’expansió d’aquests sistemes amb el conseqüent creixement de la demanda de trànsit és bàsic estudiar-los fent mesures de l’espectre radioelèctric per tal de millorar la seva eficiència d’ús. Això és perquè amb les tecnologies actuals resulta impossible donar servei a més usuaris o incrementar la capacitat a les limitades bandes de l’espectre radioelèctric. Per tal de realitzar aquestes mesures, és essencial disposar d’una plataforma que permeti la configuració de l’analitzador d’espectre i que automatitzi la captura de mostres. Així en aquesta tesis, s’ha dissenyat i desenvolupat una plataforma amb aquestes capacitats i que dóna suport a l’analitzador d’espectre R&S®FSL6. Finalment, s’ha validat la plataforma desenvolupada, capturant traces freqüencials amb les diferents maneres que disposa la plataforma. En conclusió, s’ha obtingut una plataforma d’automatització completa i preparada per ser utilitzada en qualsevol projecte que utilitzi l’analitzador d’espectres R&S®FSL6

L'efecte de la coexistència de xarxes al comportament de xarxes de sensors sense fils

With the coming growth in Internet of Things (IoT) applications, we can expect environments with many independent networks operating in nearby locations. Wireless Sensor Networks (WSN), which have become popular during the last few years, are the main type of networks used in IoT. The IEEE 802.15.4 protocol designed for low-rate wireless personal area networks has been widely adopted for this kind of network. Together with ZigBee, this protocol is gaining increasing interest from the industry, as they are considered a universal solution for low-cost, low-power, wireless connected monitoring and control devices. Internetwork interference issues in IEEE 802.15.4 networks can be a major problem because of the extensive use of wireless channels. In this thesis, an in-depth simulation study of the internetwork interferences is performed using Castalia, a widely used network simulator. We focus on the beacon collision problem, as it has been proved to be the main cause of performance degradation for coexisting networks. We carry out a prestudy of the main node simulation parameters to setup the different scenarios. Then, we evaluate how the overlap of the active periods and the location of the nodes affect the network performance. We continue with a network coexistence analysis to study the interaction of two networks of two nodes and their performance regarding the beacon reception rate. We show that there are significantly different operation regions, depending on the network location. Following this, a probabilistic analysis is carried out in order to obtain an average beacon reception rate depending on the size of the area considered. Finally, we discuss available beacon collisions avoidance methods, taking into account the detailed simulation results. Our conclusions have theoretical and practical implications for the design of wireless sensor networks, and for the evaluation of beacon collisions avoidance schemes.Con el futuro crecimiento de aplicaciones para el Internet de las Cosas (IoT), podemos esperar entornos con múltiples redes independientes operando en localizaciones cercanas. Las redes de sensores inalámbricas (WSN), que se han convertido populares en los últimos años, son el principal tipo de redes utilizadas por el IoT. El protocolo IEEE 802.15.4, que está diseñado para redes de área personal inalámbrica de baja velocidad, ha sido ampliamente adoptado para este tipo de red. Junto con ZigBee, protocolo que está ganando cada vez más interés por parte de la industria, se consideran una solución universal para dispositivos de control y monitorización inalámbrica de bajo coste y de bajo consumo de energía. Las interferencias entre redes que utilizan el estándar IEEE 802.15.4 pueden ser un problema importante debido a la amplia utilización de los canales inalámbricos. En esta tesis, realizamos un estudio en profundidad de las interferencias entre redes utilizando Castalia, un simulador de redes ampliamente usado. Nos centramos en el problema de la colisión de balizas, ya que se ha demostrado ser la principal causa de la degradación del rendimiento de este tipo de redes. Llevamos a cabo un pre estudio de los principales parámetros de simulación de cada nodo, para configurar los diferentes escenarios. A continuación, evaluamos como la superposición de los periodos activos y la ubicación de los nodos afectan al rendimiento de la red. Continuamos con un análisis de la coexistencia de redes para estudiar la interacción de dos redes formadas por un coordinador y dos nodos, y su rendimiento en cuanto al porcentaje de recepción de balizas. Demostramos que hay diferentes regiones de operación, dependiendo de la ubicación de red. Después de esto, realizamos un análisis probabilístico para obtener una tasa media de recepción de balizas en función del área considerada. Finalmente, se discuten los métodos de evitación de colisiones de balizas disponibles, teniendo en cuenta los resultados obtenidos con las simulaciones. Las conclusiones tienen implicaciones teóricas y prácticas para el diseño de redes de sensores inalámbricos, y para la evaluación de los métodos de evitación de colisiones de balizas.Amb el futur creixement d'aplicacions per l'Internet de les Coses (IoT), podem esperar entorns amb múltiples xarxes independents operant en localitzacions properes. Les xarxes de sensors sense fils (WSN), que han esdevingut populars en els últims anys, són el principal tipus de xarxes utilitzades per l'IoT. El protocol IEEE 802.15.4, que està dissenyat per a xarxes d'àrea personal sense fils de baixa velocitat, ha estat àmpliament adoptat per a aquest tipus de xarxa. Juntament amb ZigBee, protocol que està guanyant cada vegada més interès per part de la indústria, es consideren una solució universal per dispositius de control i monitorització sense fils de baix cost i de baix consum d'energia. Les interferències entre xarxes que utilitzen l'estàndard IEEE 802.15.4 poden ser un problema important a causa de l'àmplia utilització dels canals sense fil. En aquesta tesi, realitzem un estudi en profunditat de les interferències entre xarxes utilitzant Castalia, un simulador de xarxes àmpliament usat. Ens centrem en el problema de la col·lisió de balises, ja que s'ha demostrat ser la principal causa de la degradació del rendiment d'aquest tipus de xarxes. Duem a terme un preestudi dels principals paràmetres de simulació de cada node, per tal de configurar els diferents escenaris. A continuació, avaluem com la superposició dels períodes actius i la ubicació dels nodes afecten el rendiment de la xarxa. Continuem amb un anàlisi de la coexistència de xarxes per estudiar la interacció de dues xarxes formades per un coordinador i dos nodes, i el seu rendiment pel que fa al percentatge de recepció de balises. Demostrem que hi ha diferents regions d'operació, depenent de la ubicació de xarxa. Després d'això, realitzem un anàlisi probabilístic per tal d'obtenir una taxa mitjana de recepció de balises en funció de l'àrea considerada. Finalment, es discuteixen els mètodes d'evitació de col·lisions de balises disponibles, tenint en compte els resultats obtinguts amb les simulacions. Les conclusions tenen implicacions teòriques i pràctiques per al disseny de xarxes de sensors sense fils, i per a l'avaluació dels mètodes d'evitació de col·lisions de balises

Pre-processing techniques for improved detection of vocalization sounds in a neonatal intensive care unit

The sounds occurring in the noisy acoustical environment of a Neonatal Intensive Care Unit (NICU) are thought to affect the growth and neurodevelopment of preterm infants. Automatic sound detection in a NICU is a novel and challenging problem, and it is an essential step in the investigation of how preterm infants react to auditory stimuli of the NICU environment. In this paper, we present our work on an automatic system for detection of vocalization sounds, which are extensively present in NICUs. The proposed system reduces the presence of irrelevant sounds prior to detection. Several pre-processing techniques are compared, which are based on either spectral subtraction or non-negative matrix factorization, or a combination of both. The vocalization sounds are detected from the enhanced audio signal using either generative or discriminative classification models. An audio database acquired in a real-world NICU environment is used to assess the performance of the detection system in terms of frame-level missing and false alarm rates. The inclusion of the enhancement pre-processing step leads to up to 17.54% relative improvement over the baseline.Peer Reviewe