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The current document describes the research work carried out in the Applied Acoustics Department of Chalmers University of Technology (Gothenburg, Sweden). It corresponds to the study of two acoustic simulation softwares that are, in the moment of the project, under tests The present work is one of them, focused on the “Modelling of Open Plan Offices”, which gives the name to this Bachelor Thesis, conducted in Escuela Politécnica Superior of University Carlos III of Madrid. The main objective of the project is to prepare, perform and analyse the modelling and simulation of three Open Plan Offices, through the acoustic simulation tool developed by Aachen University, RAVEN. This implies the initial field measurements in the real rooms, the posterior 3D Modelling, and acoustic adjustments, as well as the auralizations of the selected sounds. As part of the tests, it is necessary an evaluation of the plausibility of the tools employed for the simulations, hence one real listening experiment was designed. The outcomes obtained are promising as the answers of the participants have ranked the simulations in high positions, although for some cases the results can be improved. It is also done a socio-economic study, where the advantages of the usage of this kind of tools in real spaces is analysed. The impact this may have on the design of Open Plan Offices is also considered, as the wellbeing and comfort of the employees influences not only their adequate productivity at work but also their health. Ingeniería de Sonido e Imagen

Day by day the current society is more aware of the existing barriers to impaired people. The difficulties they face are not only architectural, such as stairs, traffic lights without acoustic warning or information panels without Braille writing, but also cultural, such as the lack of subtitles, audio description and sign language in regular television programming, including on-demand television. All these obstacles limit access to culture and prevent the full enjoyment of both culture and information. The performing arts also suffer from this lack of accessibility. Incorporating greater accessibility in the performing arts for the hearing-impaired will favour access to cultural material, fostering the integration of the group and raising awareness among the population. The auditory channel is fundamental for the emotional activation caused by audio-visual stimuli. In particular, music, a basic support in any medium to reinforce the evocation of the desired emotion, is a purely auditory channel. If this channel is lost, there is a loss of information that causes the emotional activation contained in the music not to occur and, therefore, an alternative channel is needed. Tactile stimulation has been found to be a viable means of replacing the auditory channel due to their psychophysical similarities, both sound and vibration are perceived as vibratory stimuli, the receptors of these senses being sensitive to pressure and able to distinguish their frequencies. For years, the entertainment industry has been developing devices that, with the support of haptic stimuli, offer an augmented experience of, for example, video games. Likewise, 4D cinemas also use haptic stimulation, among other stimuli, to make the viewer feel immersed in the projection. None of these ways take the music into account, and that is where our research begins. The focus of this project is the design of devices, aimed at people with hearing impairment, which can transmit the emotions evoked by music. In this way, in the future, we will achieve, the total inclusion of impaired people in any social activity. As this topic has a wider scope than a pure engineering research, this work has been divided into three main sections that are presented in detail, providing a basis for the whole subject. The first section covers the theoretical basis on which this research is based, explaining what are the emotions, what generates them and where their processing is located in the cerebral cortex. To record these activations, measured as electrical potentials, the different techniques used are presented, with their pros and cons. Here we will link to the power of music to generate emotions, and the scientific databases that serve for standardization in the comparison of measurements of emotions evoked by audio-visual media. As the focus of this work is people with hearing impairment, music, which has a clear auditory component, will have to be transmitted through an alternative channel, such as touch, a sense with psychophysical characteristics similar to the auditory one. Therefore, we will delve into the physiology of this sense, the current technology for its stimulation and examples of devices that have been used in different investigations. In the second section we will explain the design process of the tools, both hardware and software, used in this work, which purpose is the evocation of emotions through haptic stimulation. As the path of this research has been long, the designed devices have evolved along the work itself and therefore the development of the different systems is presented. In the last section, we present the different clinical tests performed, the process of recording brain activation and the results for of each of them. Every device is discussed in depth and related to the tests performed, facilitating the understanding of the previous section and helping the global vision of the work. In view of the achieved results, we will conclude that the integration of simple multimodal stimuli, visual and vibro-tactile, helps to enhance the activation of emotional processes similar to the activation by musical stimulation in normal-hearing people. It has also been concluded that multimodal visual and vibro-tactile stimulation reinforces both attentional and emotional processes. This paves the way to a future implementation of simple systems that can help the hearing-impaired people to fully enjoy an audio-visual event, a result with a huge impact in this community. Día a día la sociedad actual es más consciente de las barreras existentes a personas con discapacidad. Las dificultades a las que se enfrentan no son sólo arquitectónicas, como pueden escaleras, semáforos sin aviso acústico o paneles informativos sin escritura en Braille, sino también culturales, como puede ser la falta de subtítulos, Audiodescripción y lengua de signos en la programación habitual de la televisión, incluida la televisión bajo demanda. Todas estas trabas limitan el acceso a la cultura e impiden que se pueda disfrutar plenamente tanto de la cultura como de la información. Las artes escénicas, por su lado, también adolecen de esta falta de accesibilidad. Incorporando una mayor accesibilidad en las artes escénicas para las personas con deficiencias auditivas se favorecerá el acceso al material cultural fomentando la integración del colectivo y sensibilizando a la población. El canal auditivo es fundamental para la activación emocional provocada por estímulos audiovisuales. En concreto la música, apoyo básico en cualquier medio para reforzar la evocación de la emoción deseada, es un canal meramente auditivo. Si se pierde este canal, se produce una pérdida de información que provoca que la activación emocional contenida en la música no llegue a producirse y, por lo tanto, se necesite un canal alternativo. Se ha comprobado que la estimulación táctil es un medio viable para sustituir el canal auditivo debido a sus similitudes psicofísicas, tanto el sonido como la vibración se perciben como estímulos vibratorios, siendo los receptores de estos sentidos sensibles a presión y capaces de distinguir sus frecuencias. La industria del ocio lleva años desarrollando dispositivos que, bajo el apoyo de estímulos hápticos, ofrezcan una experiencia aumentada de, por ejemplo, los video juegos. Así mismo, los cines 4D, también emplean estimulación háptica, entre otros estímulos, para conseguir que el espectador se vea inmerso en la proyección. Ninguna de estas vías, tienen en cuenta la música, y es ahí donde comienza nuestra investigación. La idea que fundamenta este proyecto es el diseño de dispositivos, dirigidos a personas con discapacidad auditiva, que puedan transmitir las emociones que evocan la música. De esta forma, en un futuro, conseguiremos, entre todos, la inclusión total de las personas con discapacidad a cualquier actividad social. Como este tema excede el alcance de una mera investigación de ingeniería, se ha divido este trabajo en tres secciones principales que se exponen en detalle, dando base a toda la temática. En la primera de las secciones se abarca la base teórica en la que se sustenta esta investigación, se explica qué son las emociones, que las genera y dónde se localiza su procesamiento en la corteza cerebral. Para medir estas activaciones, medidas como potenciales eléctricos, se exponen las diferentes técnicas empleadas, con sus pros y contras. Aquí enlazaremos con el poder de la música para generar emociones, y las bases de datos científicas que sirven para la estandarización en la comparación de las mediciones de las emociones evocadas por los medios audiovisuales. Como el enfoque de este trabajo son las personas con discapacidad auditiva, la música, que tiene un claro componente auditivo, habrá que transmitirla a través de un canal alternativo, como es el tacto, sentido con características psicofísicas similares al auditivo. Por ello profundizaremos en la fisiología de este sentido, la tecnología actual para su estimulación y ejemplos de dispositivos que se han empleado en diferentes investigaciones. En la segunda sección se explicará el proceso del diseño de las herramientas, tanto hardware como software, empleadas en este trabajo cuyo fin es la evocación emociona a través de estimulación háptica. Como el camino de esta investigación ha sido largo, los dispositivos diseñados han evolucionado a lo largo del propio trabajo y se presenta el desarrollo de los diferentes sistemas. En la última sección, presentamos las diferentes pruebas clínicas realizadas, el proceso de registro de la activación cerebral y los resultados de cada una de estas. Se profundiza y relaciona cada dispositivo con las pruebas realizadas, facilitando la comprensión de la sección anterior y ayudando a visión global del trabajo. A la vista de los resultados alcanzados, podemos concluir que la integración estímulos simples multimodales, visual y vibro-táctil, ayudan a potenciar la activación de procesos emocionales similares a la activación ante estimulación musical. También se ha llegado a la conclusión que la estimulación multimodal, visual y vibro-táctil, refuerza tanto los procesos atencionales como los procesos emocionales. Estos resultados abren el camino para futuros desarrollos que permitan que una persona con discapacidad auditiva pueda disfrutar plenamente de un evento audiovisual, lo que generará un gran impacto para este colectivo. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Eva Bermejo Sánchez.- Secretario: José Antonio Belloch Rodríguez.- Vocal: Javier Pérez Tejero

Mención Internacional en el título de doctor Light is a very useful tool for measuring high frequency and low amplitude mechanical vibrations. Thanks to the interference process and under certain circumstances we can obtain a specific sort of optical sources called multimode multiheterodyne sources, that are very useful to read several optical wavelengths at the same time on a single photodetector and distinguishing them from each other. This characteristic makes them suitable for interrogating fiber optic sensors. In this thesis, I analyze several fiber optic sensor readout methods that mix multiheterodyne techniques, multimode techniques, and interferometry techniques to measure ultrasound and acoustic mechanical waves. These mechanical waves occur when periodic forces are applied to mechanical structures. This disturbs the layout of atoms and may lead to cracks or the complete collapse of the structure. Therefore, the characterization and measurement of such vibrations are of great importance when performing structure health monitoring (SHM) and non-destructive evaluation (NDE). This thesis aims to solve this problem by implementing several systems that employ light-based technology to measure and characterize mechanical vibrations up to 1 MHz of frequency and sub-nano-strain (lower than 10-3 ppm) level of resolution. The proposed systems involve new features and parameters more settable compared to more conventional approaches of optical sensor reading processes and therefore they offer wider possibilities. A total of three systems have been implemented and tested: First, an electro-optic dual optical frequency comb source to read fiber Bragg gratings for dynamic measurements. This set up reaches 120 kHz of mechanical frequency detection. The second system is based on a self-heterodyne acousto-optic comb that reads a random fiber grating sensor. In this case, the system can detect up to 1 MHz of mechanical vibrations. Finally, the third is based on a compact electro-optic dual optical frequency comb that is used to read low reflectivity fiber Bragg gratings with a dispersion interferometer. This system can detect a maximum of 135 kHz of mechanical frequencies. The results of this thesis improve previous systems achievements to satisfy the specifications required to date in this application, both in mechanical bandwidth and in strain amplitude. They also show the potential of these multimode sources for high-precision optical sensing. La luz es una herramienta muy útil para medir vibraciones mecánicas de alta frecuencia y baja amplitud. Gracias al proceso de interferencia y bajo determinadas circunstancias podemos obtener un tipo específico de fuentes ópticas, denominadas fuentes multimodo multiheterodinas, que son muy útiles para leer varias longitudes de onda ópticas al mismo tiempo en un solo fotodetector y distinguirlas entre sí. Esta característica hace que estas fuentes ópticas sean adecuadas para la lectura de sensores de fibra óptica. En esta tesis, analizo varios métodos de lectura de sensores de fibra óptica que mezclan técnicas multiheterodinas, técnicas multimodo y técnicas de interferometría para medir ultrasonidos y ondas mecánicas acústicas. Estas ondas mecánicas se producen cuando se aplican fuerzas periódicas a las estructuras mecánicas. Esto perturba la disposición de los átomos y puede provocar grietas o el colapso completo de la estructura. Por lo tanto, la caracterización y medida de dichas vibraciones son de gran importancia a la hora de monitorizar el estado de las estructuras y de realizar una evaluación no destructiva. Esta tesis tiene como objetivo resolver este problema mediante la implementación de varios sistemas que emplean tecnología basada en la luz para medir y caracterizar vibraciones mecánicas hasta frecuencias de 1 MHz y nivel de resolución sub-nano-deformación (menor que 10-3 ppm). Los sistemas propuestos implican nuevas características y parámetros más configurables en comparación con los enfoques más convencionales de procesos de lectura de sensores ópticos y, por lo tanto, ofrecen posibilidades más amplias. A lo largo de la tesis se presentan tres sistemas de medida: El primero está basado en un doble peine de frecuencias ópticas (dual comb) electroóptico que es capaz de leer sensores de fibra óptica basados en redes de Bragg (FBG) en régimen dinámico. Este sistema ha sido probado con una frecuencia máxima de detección de 120 kHz. En segundo lugar, se presenta un sistema basado en un selfheterodyne comb acustoóptico para leer sensores de fibra con distribución aleatoria de la rejilla en el núcleo (random grating). Este sistema es capaz de detectar señales de vibración de hasta 1 MHz. El tercer sistema presentado se basa en un doble peine de frecuencias ópticas (dual comb) electroóptico compacto que se utiliza para leer sensores FBG de baja reflectividad con un interferómetro de dispersión. Este sistema puede detectar hasta 135 kHz de vibraciones mecánicas. Los resultados de esta tesis mejoran los obtenidos en sistemas anteriores a fin de satisfacer las especificaciones requeridas hasta la fecha en esta aplicación, tanto en el ancho de banda mecánico como en la amplitud de la deformación. También muestran el potencial de estas fuentes multimodo para la detección óptica de alta precisión. Quiero agradecer la financiación de este trabajo dada por el Ministerio de Educación, Cultura y Deporte para la Formación de Profesorado Universitario FPU2016 (Beca FPU16/03695) y a través del proyecto PARAQUA (TEC2017-86271-R), así como por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades a través de las ayudas de movilidad EST18/00617. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Óscar Esteban Martínez.- Secretario: Marta Ruiz Llata.- Vocal: Pedro Alberto da Silva Jorge

Mención Internacional en el título de doctor Among the 17 Sustainable Development Goals proposed within the 2030 Agenda and adopted by all of the United Nations member states, the fifth SDG is a call for action to effectively turn gender equality into a fundamental human right and an essential foundation for a better world. It includes the eradication of all types of violence against women. Focusing on the technological perspective, the range of available solutions intended to prevent this social problem is very limited. Moreover, most of the solutions are based on a panic button approach, leaving aside the usage and integration of current state-of-the-art technologies, such as the Internet of Things (IoT), affective computing, cyber-physical systems, and smart-sensors. Thus, the main purpose of this research is to provide new insight into the design and development of tools to prevent and combat Gender-based Violence risky situations and, even, aggressions, from a technological perspective, but without leaving aside the different sociological considerations directly related to the problem. To achieve such an objective, we rely on the application of affective computing from a realist point of view, i.e. targeting the generation of systems and tools capable of being implemented and used nowadays or within an achievable time-frame. This pragmatic vision is channelled through: 1) an exhaustive study of the existing technological tools and mechanisms oriented to the fight Gender-based Violence, 2) the proposal of a new smart-wearable system intended to deal with some of the current technological encountered limitations, 3) a novel fear-related emotion classification approach to disentangle the relation between emotions and physiology, and 4) the definition and release of a new multi-modal dataset for emotion recognition in women. Firstly, different fear classification systems using a reduced set of physiological signals are explored and designed. This is done by employing open datasets together with the combination of time, frequency and non-linear domain techniques. This design process is encompassed by trade-offs between both physiological considerations and embedded capabilities. The latter is of paramount importance due to the edge-computing focus of this research. Two results are highlighted in this first task, the designed fear classification system that employed the DEAP dataset data and achieved an AUC of 81.60% and a Gmean of 81.55% on average for a subjectindependent approach, and only two physiological signals; and the designed fear classification system that employed the MAHNOB dataset data achieving an AUC of 86.00% and a Gmean of 73.78% on average for a subject-independent approach, only three physiological signals, and a Leave-One-Subject-Out configuration. A detailed comparison with other emotion recognition systems proposed in the literature is presented, which proves that the obtained metrics are in line with the state-ofthe- art. Secondly, Bindi is presented. This is an end-to-end autonomous multimodal system leveraging affective IoT throughout auditory and physiological commercial off-theshelf smart-sensors, hierarchical multisensorial fusion, and secured server architecture to combat Gender-based Violence by automatically detecting risky situations based on a multimodal intelligence engine and then triggering a protection protocol. Specifically, this research is focused onto the hardware and software design of one of the two edge-computing devices within Bindi. This is a bracelet integrating three physiological sensors, actuators, power monitoring integrated chips, and a System- On-Chip with wireless capabilities. Within this context, different embedded design space explorations are presented: embedded filtering evaluation, online physiological signal quality assessment, feature extraction, and power consumption analysis. The reported results in all these processes are successfully validated and, for some of them, even compared against physiological standard measurement equipment. Amongst the different obtained results regarding the embedded design and implementation within the bracelet of Bindi, it should be highlighted that its low power consumption provides a battery life to be approximately 40 hours when using a 500 mAh battery. Finally, the particularities of our use case and the scarcity of open multimodal datasets dealing with emotional immersive technology, labelling methodology considering the gender perspective, balanced stimuli distribution regarding the target emotions, and recovery processes based on the physiological signals of the volunteers to quantify and isolate the emotional activation between stimuli, led us to the definition and elaboration of Women and Emotion Multi-modal Affective Computing (WEMAC) dataset. This is a multimodal dataset in which 104 women who never experienced Gender-based Violence that performed different emotion-related stimuli visualisations in a laboratory environment. The previous fear binary classification systems were improved and applied to this novel multimodal dataset. For instance, the proposed multimodal fear recognition system using this dataset reports up to 60.20% and 67.59% for ACC and F1-score, respectively. These values represent a competitive result in comparison with the state-of-the-art that deal with similar multi-modal use cases. In general, this PhD thesis has opened a new research line within the research group under which it has been developed. Moreover, this work has established a solid base from which to expand knowledge and continue research targeting the generation of both mechanisms to help vulnerable groups and socially oriented technology. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: David Atienza Alonso.- Secretaria: Susana Patón Álvarez.- Vocal: Eduardo de la Torre Arnanz

Mención Internacional en el título de doctor The copper conductor is the physical medium traditionally used to transport power between different points. However, in recent years a new technology called Power over Fiber (PoF) has begun to be used for the same purpose. This idea firstly developed in the 1970s by the American Telephone and Telegraph Company in the field of telephony used fiber optics to power parts of a telephone instead of traditional copper. Power over Fiber technology involves the transmission of energy using an optical fiber to feed an electronic device. In its basic configuration, it consists of an energy source, typically a high power laser (HPL), an optical fiber to transmit energy to the receiving side, and a photovoltaic converter to convert light into electrical energy. This technology has several advantages over the use of copper, due to the intrinsic properties of optical fiber such as immunity to electromagnetic interference, galvanic isolation and low weight. The use of this technology is of interest in monitoring applications in high-voltage networks requiring galvanic isolation, in nuclear power generation applications, as well as in the automotive and aviation sectors. On the other hand, a scenario of special attention regarding the application of this technology is the communications sector, due to the advantages that the synergy between the transmission of energy and data through the same physical medium can provide. For those reasons, the main objective of this research is to study and develop light-powered systems that integrate solutions with intelligence in the field of sensors and communications, ensuring optimization and management of energy consumption. This research has included one chapter for the development of applications in the sensing field and three for the analysis of Power over Fiber applications in communications scenarios, specifically in the context of 5G technology. The following is a summary of the research content by chapters. Chapter 2 presents PoF systems as an emerging technology capable of transmitting energy over short and long distances using optical fiber to power remote devices. It also discusses the main theoretical concepts and parameters related to each of the elements that compromise a PoF system. The main objective of this approach is to establish the principles that will help to understand the rest of the chapters within this research. The first sections define the elements employed by the technology, the state of the art and its characteristics. Finally, considerations and critical aspects that may limit the implementation of PoF systems are addressed. Chapter 3 discusses the state of the art of PoF technology in sensing applications. Additionally, the key aspects to consider in the development of a PoF system operating in the first window are discussed. Finally, the implementation of several sensing applications in different fields such as explosive areas, in the context of Internet of Things (IoT) and pyrometry applications are discussed. Throughout the chapter, topics such as the impact of modal field diameter and fiber fuse on the power threshold supported by the fiber, and scalability analysis for powering a sensor network with a Point-to-Multipoint configuration are also analyzed. Chapter 4 addresses the main concepts associated with 5G-NR technology and focuses on the implementation and analysis of synergistic scenarios using PoF technology in a Centralized-Radio Access Networks (C-RAN) architecture. Consumption analysis in the Remote Radio Head (RRH) is carried out to evaluate the energy requirements demanded by the 5G technology and the feasibility of using power by light. Additionally, a PoF platform is developed that implements low-power modes and remote sensing through a low-power communications channel. This functionality allows monitoring and controlling parameters of the RRH, from the Central office (CO), through a computer application implemented in Matlab. The integration of 5G and PoF (5G/PoF) technology is experimentally validated through the feeding of a RF amplifier, integrated in an Analog Radio over Fiber (ARoF) scenario. Finally, the performance of the integrated 5G/PoF system is evaluated using the EVM value as a metric. Chapter 5 addresses the impact of the main fiber optic parameters on data transmission in a 5G scenario, because of power transmission in a shared scenario (data and power multiplexing on the same optical fiber). For the analysis, different laboratory experiments and simulations are carried out in an ARoF scenario operating in millimeter wave bands, with RF carriers below 20 GHz. Additionally, the influence of the Kerr effect and the nonlinear Stimulated Raman Scattering (SRS) phenomenon on the critical frequency behavior of the system and the appearance of the power fading phenomenon are analyzed. Finally, the effect of the Relative Intensity Noise of the HPL and the effects of the coupled noise in the data channel through the SRS phenomenon are discussed. In all cases, the EVM is used as a metric for the characterization of the systems. Chapter 6 addresses a PoF solution integrated in the optical fronthaul of a 5G network in a C-RAN configuration, operating at a radio frequency of 25.5 GHz. The design employs Space Division Multiplexing (SDM) integrated with PoF over a 10 km-long multicore fiber (MCF), with the objective of powering and controlling critical elements of the RRH for remotely managing its power consumption. Agent-based intelligent control is implemented in the design. Additionally, ARoF and PoF systems are characterized and the impact of power transmission on the ARoF system is evaluated for QPSK, 16 QAM and 64 QAM modulations using the BER value as a metric. In addition, two application examples based on MCF and single mode (SMF) optical fibers are explored for the optimization of the RRH power consumption. Additionally, a technique based on Tilted Fiber Bragg Gratings (TFBG) over MCF fibers for monitoring the transmitted energy is discussed. Finally, chapters 7 and 8 summarize, in English and Spanish, the main conclusions of this research and present proposals for future work. It is important to highlight as general conclusions of this work the integration capacity of PoF systems in different application scenarios, even though the threshold power supported by the optical fiber limits its transmission capacity, being more critical in the case of multimode (MMF) fibers with a gradual refractive index profile because of its smaller modal field diameter. On the other hand, the PoF systems developed in this research are compatible with current and future infrastructures in the context of 5G technology, based on SMF and MCF fibers. This research demonstrated in practice the transmission of hundreds of milliwatts over more than 10 km, using SMF fibers. In the case of MCF the transmitted power was sufficient to implement remote control of a power amplifier from the CO. The main contributions of this research include the exploration and development of sensor applications integrating novel functionalities not covered by state-of-the-art solutions so far. The systems were tested in practice and demonstrated the ability to deliver an electrical power of 340 mW at a distance of 300 m, the HPL being configured at an optical emission power of 1.5 W, which represents a system efficiency of 22.6 %. PoF applications were extended to IoT and hazardous environment safety scenarios, including capabilities such as fiber optic fault detection, which is critical in explosive atmospheres. Additionally, a PoF platform was developed in which not only the power delivered to the load was increased to 1.95 W, but also the efficiency of the system was increased up to 36 %, positioning the solution among the best reported in the state of the art. On the other hand, this research has contributed to the development of the integration of PoF systems in communications, specifically with 5G technology, where the capability of the technology for the energy control of the RRH in a C-RAN scenario was demonstrated. The developed theoretical and experimental analysis allowed understanding the impact of nonlinear phenomena in the context of PoF technology, enabling the development of more efficient synergic systems, especially in the communications scenario. Long distance systems, over 10 km, based on SMF and MCF fibers were implemented. The system based on MCF fiber is the longest distance PoF solution explored with this type of fiber in the literature. Finally, a technique for monitoring the transmitted power in PoF systems was developed and patented. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Ignacio Esquivias Moscardó.- Secretario: Sonia Martín López.- Vocal: Salvador E. Vargas Palma

Mención Internacional en el título de doctor Since the end of the 20th century, technological evolution has been focused on achieving further compact circuit designs in order to improve efficiency and to reduce the weight and volume of electronic equipment. This has been driven by an increase in demand from society's needs due to the reduction in the cost of electronic devices, which has made technology easily accessible and thus making it a product of daily consumption. A very competitive market has increased in order to satisfy all these technological needs demanded by society, which has led to development of more complex electronic designs offering a great number of functions to meet all these needs. All this pursuit of technological innovation has led to the development of large technological systems such as telecommunication networks, aeronautical systems and transport networks. In addition, these advances have allowed to satisfy more daily needs with the design of intelligent devices that help in the domestic field, provide access to information or generate entertainment. Under this context of technological evolution, the use of power converters has played a main role focused on efficient energy management. Its development has been so important that it has served as the basis for technological solutions previously unfeasible. For instance, cochlear implants, which enable people with hearing problems to distinguish sounds, these implants are supplied by a non-contact energy transfer system. They also have a small size and weight in order to be implanted inside the human body and to reduce power consumption as much as possible. Overall, technological evolution has followed a trend towards ever more compact circuit designs in order to improve efficiency or autonomy and to reduce weight and volume. In line with this trend of miniaturization of circuits, this thesis is focused on the solution of one of the most common problems related to the increase of the switching frequency of power converters controlled by digital devices, which is the limited resolution of the modulator. For this purpose, two architectures are presented and implemented for digital pulse width modulators (DPWM), both implemented in FPGAs, to increase the resolution of the converter modulator. These solutions are designed, implemented, and applied in power converters operating at high frequency to test their real performance. In order to design the proposed DPWMs, a review of the different proposals in the state of the art has been made considering a distinction according to the technology and the different types of architectures used. Once the advantages and disadvantages of each of the advantages have been identified, it was decided to work with FPGA technology. The first original contribution proposed is a modulator capable of generating a pulse where the falling edge is controlled with very high resolution. The DPWM solves many of the problems presented by different state-of-the-art architectures, such as the fact that it does not require manual calibration and automatic routing can be performed on the FPGA. In addition, this design is implemented on two models of Xilinx FPGAs (Artix-7 and Kintex UltraScale-7), where the resolution is significantly improved compared to existing solutions (79.9 ps and 4.997 ps, respectively). The second original proposed architecture allows providing high resolution and independently control to the rising and falling edges. Taking advantage of this independent control of the high-resolution edges, a third original architecture is proposed and used to generate complementary pulses. A first analysis is carried out through simulations with the manufacturer's tool in order to implement the proposed architectures. This information is used to get a first approach of the architectures behavior and observe how the signals are generated by the FPGA. This simulation tool provides an estimation of the resolution achieved with the architecture. Once this simulation has been carried out, the architectures are implemented in the FPGA and the performance and real resolution of the digital controller's output signal is characterized. However, given the difficulty of performing time measurements with an optimal resolution to obtain the minimum increment of the architecture, it was decided to use indirect measurements to determine this value. The temporal resolution measurement is achieved through an indirect calculation of the minimum increase in the mean value of the signal generated with the proposed architectures. Finally, a third high-resolution architecture has been designed for application in the control of real high-frequency power converters. This new architecture is based on the previous one and is capable of generating complementary signals with high resolution. Due to the performed tests, it is possible to obtain a comparison of the effects of having high resolution in different converters together with the importance of the use of the proposed architectures. In addition, the use of this high resolution has been explored in other power electronics applications such as the identification of the frequency response of switched-mode converters operating at high frequency. This allows to design, with a better knowledge of the real converter plant, the high-frequency control loops. The conclusions drawn from each part of this document have been presented in summary form at the end of each chapter. All of them have been validated by experimental tests, simulations with the manufacturer's tools or compared with published literature. Desde finales del siglo XX, la evolución tecnológica ha avanzado en el camino de conseguir diseños de circuitos cada vez más compactos con el fin de mejorar la eficiencia y reducir el peso y volumen de los equipos. Esto se ha debido a un incremento en la demanda de las necesidades tecnológicas por parte de la sociedad a causa de la reducción de los costes en los dispositivos electrónicos. Lo que ha permitido que la tecnología sea más accesible, convirtiéndose en un producto de consumo cotidiano. El satisfacer todas estas necesidades tecnológicas que demanda la sociedad han generado un mercado muy competitivo, lo que ha provocado que cada vez se requiera de implementar diseños electrónicos más complejos que abarquen un mayor número de funciones para cubrir todas estas necesidades. Toda esta carrera de innovación tecnológica ha llegado a impulsar el desarrollo de grandes sistemas tecnológicos como las redes de telecomunicaciones, sistemas aeronáuticos o redes de transporte. Además, estos avances han permitido satisfacer necesidades más cotidianas con el diseño de dispositivos inteligentes que ayudan en el ámbito doméstico, facilitan el acceso a la información o generan entretenimiento. En este contexto de evolución tecnológica, el uso de convertidores de potencia ha jugado un papel principal centrado en la gestión eficiente de la energía. Tal ha sido la importancia de su desarrollo que han servido de base para que sea posible lograr soluciones tecnológicas inviables hasta ese momento. Un claro ejemplo son los implantes cocleares, los cuales permiten a las personas con problemas de audición a distinguir sonidos. Estos implantes se alimentan a través de un sistema de transferencia de energía sin contacto. Además, poseen un tamaño y peso pequeño para implantarse dentro del cuerpo humano y reducir el consumo lo máximo posible. En general, la evolución tecnológica ha seguido una tendencia donde se trata de conseguir diseños de circuitos cada vez más compactos con el fin de mejorar la eficiencia o autonomía y reducir el peso y volumen. En base a esta tendencia de miniaturización de los circuitos, esta tesis se centra en resolver uno de los problemas más comunes debidos al aumento de la frecuencia de conmutación de los convertidores de potencia controlados mediante dispositivos digitales, que es la resolución limitada del modulador. Para ello, se presentan e implementan dos arquitecturas para moduladores digitales por ancho de pulso (DPWM), implementadas en FPGAs, para incrementar la resolución del modulador del convertidor. Estas soluciones se diseñan, se implementan, y se aplican en convertidores de potencia que operan en alta frecuencia para comprobar su funcionamiento real. Para los diseños de los DPWM propuestos, se ha realizado una recopilación de las diferentes propuestas en el estado de la técnica diferenciando según la tecnología y realizando distinciones de las tipologías de arquitecturas empleadas. Una vez se ha identificado las ventajas y desventajas de cada una de las tecnologías digitales y tipos de arquitecturas, se decide trabajar con la tecnología FPGA. La primera contribución original que se propone en esta tesis es un modulador capaz de generar un pulso cuyo flanco de bajada se controla con muy alta resolución. Este diseño soluciona muchos de los problemas que presentan las diferentes arquitecturas del estado del arte, como que no necesita de calibración manual y se puede realizar un rutado automático en la FPGA. Además, este diseño se implementa en dos modelos de FPGAs de Xilinx (Artix-7 y Kintex UltraScale-7), donde se mejora notablemente la resolución frente a las existentes (79,9 ps y 4,997 ps, respectivamente). La segunda arquitectura original propuesta permite dotar de una alta resolución a los flancos de subida y bajada de los pulsos de control de manera independiente. Aprovechando esta ventaja de control independiente de los flancos de alta resolución, se propone una tercera arquitectura original que se utiliza para generar pulsos complementarios. Para la implementación de las arquitecturas propuestas, se realiza un primer análisis a través de simulaciones con la herramienta del fabricante. Esta información se utiliza para tener un primer contacto del funcionamiento de las arquitecturas y cómo se comportan las señales de que genera el controlador. Con la herramienta de simulación, se obtiene una aproximación de cuál es la resolución alcanzada con la arquitectura. Una vez realizada esta simulación, se implementa las arquitecturas en el controlador y se caracteriza el comportamiento y la resolución real de la señal de salida del controlador. Ante la dificultad de realizar mediciones temporales con una resolución óptima para obtener cual es el mínimo incremento de la arquitectura, se decide utilizar medidas indirectas para conocer este valor. La medida de resolución temporal se logra a través de un cálculo indirecto en el mínimo incremento que se produce en el valor medio de la señal generada con las arquitecturas propuestas. Por último, se ha diseñado una tercera arquitectura de alta resolución con el objetivo de aplicarse en el control de convertidores reales de potencia de alta frecuencia. Esta nueva arquitectura está basada en la anterior y es capaz de generar señales complementarias con alta resolución. Gracias a las pruebas realizadas se puede obtener una comparación razonada de cómo afecta tener alta resolución en diferentes convertidores y de la importancia de la utilización de las arquitecturas propuestas. Además, se ha explorado el uso de esta alta resolución en otras aplicaciones de la electrónica de potencia como es la identificación de la respuesta en frecuencia de los convertidores conmutados que funcionan a alta frecuencia. Esto permite poder diseñar, con un mayor conocimiento de la planta real del convertidor, los lazos de control de alta frecuencia para que el convertidor opere en base a un punto de trabajo ajustando de manera autónoma las señales de control. Las conclusiones obtenidas de cada una de las partes de este documento han sido resumidas al final de cada capítulo. Todas ellas han sido validadas a través de pruebas experimentales, simulaciones con herramientas del fabricante o comparadas con las publicaciones realizadas. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Emilio Olías Ruiz.- Secretario: Christian Brañas Reyes.- Vocal: José Fernando Jiménez Vargas

Mención Internacional en el título de doctor The improvements of the last two decades in data modeling and computing have lead to new biometric modalities. The Electrocardiogram (ECG) modality is part of them, and has been mainly researched by using public databases related to medical training. Despite of being useful for initial approaches, they are not representative of a real biometric environment. In addition, publishing and creating a new database is none trivial due to human resources and data protection laws. The main goal of this thesis is to successfully use ECG as a biometric signal while getting closer to the real case scenario. Every experiment considers low computational calculations and transformations to help in potential portability. The core experiments in this work come from a private database with different positions, time and heart rate scenarios. An initial segmentation evaluation is achieved with the help of fiducial point detection which determines the QRS selection as the input data for all the experiments. The approach of training a model per user (open-set) is tested with different machine learning algorithms, only getting an acceptable result with Gaussian Mixture Models (GMM). However, the concept of training all users in one model (closed-set) shows more potential with Linear Discriminant Analysis (LDA), whose results were improved in 40%. The results with LDA are also tested as a multi-modality technique, decreasing the Equal Error Rate (EER) of fingerprint verification in up to 70.64% with score fusion, and reaching 0% in Protection Attack Detection (PAD). The Multilayer Perceptron (MLP) algorithm enhances these results in verification while applying the first differentiation to the signal. The network optimization is achieved with EER as an observation metric, and improves the results of LDA in 22% for the worst case scenario, and decreases the EER to 0% in the best case. Complexity is added creating a Convolutional Neural Network (CNN) and Long-Short Term Memory (LSTM) based network, BioECG. The tuning process is achieved without extra feature transformation and is evaluated through accuracy, aiming for good identification. The inclusion of a second day of enrollment in improves results from MLP, reaching the overall lowest results of 0.009%–1.352% in EER. Throughout the use of good quality signals, position changes did not noticeably impact the verification. In addition, collecting data in a different day or in a different hour did not clearly affect the performance. Moreover, modifying the verification process based on attempts, improves the overall results, up to reach a 0% EER when applying BioECG. Finally, to get closer to a real scenario, a smartband prototype is used to collect new databases. A private database with limited scenarios but controlled data, and another local database with a wider range of scenarios and days, and with a more relaxed use of the device. Applying the concepts of first differentiation and MLP, these signals required the Stationary Wavelet Transform (SWT) and new fiducial point detection to improve their results. The first database gave subtle chances of being used in identification with up to 78.2% accuracy, but the latter was completely discarded for this purpose. These realistic experiments show the impact of a low fidelity sensor, even considering the same modifications in previous successful experiments with better quality data, reaching up to 13.530% EER. In the second database, results reach a range of 0.068%–31.669% EER. This type of sensor is affected by heart rate changes, but also by position variations, given its sensitivity to movement. Las mejoras en modelado de datos y computación de las últimas dos décadas, han llevado a la creación de nuevas modalidades biométricas. La modalidad de electrocardiograma (ECG) es una de ellas, la cual se ha investigado usando bases de datos públicas que fueron creadas para entrenamiento de profesional médico. Aunque estos datos han sido útiles para los estados iniciales de la modalidad, no son representativos de un entorno biométrico real. Además, publicar y crear bases de datos nuevas son problemas no triviales debido a los recursos humanos y las leyes de protección de datos. El principal objetivo de esta tesis es usar exitosamente datos de ECG como señales biométricas a la vez que nos acercamos a un escenario realista. Cada experimento considera cálculos y transformadas de bajo coste computacional para ayudar en su potencial uso en aparatos móviles. Los principales experimentos de este trabajo se producen con una base de datos privada con diferentes escenarios en términos de postura, tiempo y frecuencia cardíaca. Con ella se evalúan las diferentes seleccións del complejo QRS mediante detección de puntos fiduciales, lo cual servirá como datos de entrada para el resto de experimentos. El enfoque de entrenar un modelo por usuario (open-set) se prueba con diferentes algoritmos de aprendizaje máquina (machine learning), obteniendo resultados aceptables únicamente mediante el uso de modelos de mezcla de Gaussianas (Gaussian Mixture Models, GMM). Sin embargo, el concepto de entrenar un modelo con todos los usuarios (closed-set) demuestra mayor potencial con Linear Discriminant Analysis (Análisis de Discriminante Lineal, LDA), cuyos resultados mejoran en un 40%. Los resultados de LDA también se utilizan como técnica multi-modal, disminuyendo la Equal Error Rate (Tasa de Igual Error, EER) de la verificación mediante huella en hasta un 70.64% con fusión de puntuación, y llegando a un sistema con un 0% de EER en Detección de Ataques de Presentación (Presentation Attack Detection, PAD). El algoritmo de Perceptrón Multicapa (Multilayer Perceptron, MLP) mejora los resultados previos en verificación aplicando la primera derivada a la señal. La optimización de la red se consigue en base a su EER, mejora la de LDA en hasta un 22% en el peor caso, y la lleva hasta un 0% en el mejor caso. Se añade complejidad creando una red neural convolucional (Convolutional Neural Network, CNN) con una red de memoria a largo-corto plazo (Long-Short Term Memory, LSTM), llamada BioECG. El proceso de ajuste de hiperparámetros se lleva acabo sin transformaciones y se evalúa observando la accuracy (precisión), para mejorar la identificación. Sin embargo, incluir un segundo día de registro (enrollment) con BioECG, estos resultados mejoran hasta un 74% para el peor caso, llegando a los resultados más bajos hasta el momento con 0.009%–1.352% en la EER. Durante el uso de señales de buena calidad, los cambios de postura no afectaron notablemente a la verificación. Además, adquirir los datos en días u horas diferentes tampoco afectó claramente a los resultados. Asimismo, modificar el proceso de verificación en base a intentos también produce mejoría en todos los resultados, hasta el punto de llegar a un 0% de EER cuando se aplica BioECG. Finalmente, para acercarnos al caso más realista, se usa un prototipo de pulsera para capturar nuevas bases de datos. Una base de datos privada con escenarios limitados pero datos más controlados, y otra base de datos local con más espectro de escenarios y días y un uso del dispositivo más relajado. Para estos datos se aplican los conceptos de primera diferenciación en MLP, cuyas señales requieren la Transformada de Wavelet Estacionaria (Stationary Wavelet Transform, SWT) y un detector de puntos fiduciales para mejorar los resultados. La primera base de datos da opciones a ser usada para identificación con un máximo de precisión del 78.2%, pero la segunda se descartó completamente para este propósito. Estos experimentos más realistas demuestran el impact de tener un sensor de baja fidelidad, incluso considerando las mismas modificaciones que previamente tuvieron buenos resultados en datos mejores, llegando a un 13.530% de EER. En la segunda base de datos, los resultados llegan a un rango de 0.068%–31.669% en EER. Este tipo de sensor se ve afectado por las variaciones de frecuencia cardíaca, pero también por el cambio de posición, dado que es más sensible al movimiento. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Cristina Conde Vilda.- Secretario: Mariano López García.- Vocal: Young-Bin Known

Tesis por compendio de publicaciones Los componentes electrónicos comerciales, comúnmente llamados componentes Commercial-Off-The-Shelf (COTS) están presentes en multitud de dispositivos habituales en nuestro día a día. Particularmente, el uso de microprocesadores y sistemas en chip (SoC) altamente integrados ha favorecido la aparición de dispositivos electrónicos cada vez más inteligentes que sostienen el estilo de vida y el avance de la sociedad moderna. Su uso se ha generalizado incluso en aquellos sistemas que se consideran críticos para la seguridad, como vehículos, aviones, armamento, dispositivos médicos, implantes o centrales eléctricas. En cualquiera de ellos, un fallo podría tener graves consecuencias humanas o económicas. Sin embargo, todos los sistemas electrónicos conviven constantemente con factores internos y externos que pueden provocar fallos en su funcionamiento. La capacidad de un sistema para funcionar correctamente en presencia de fallos se denomina tolerancia a fallos, y es un requisito en el diseño y operación de sistemas críticos. Los vehículos espaciales como satélites o naves espaciales también hacen uso de microprocesadores para operar de forma autónoma o semi autónoma durante su vida útil, con la dificultad añadida de que no pueden ser reparados en órbita, por lo que se consideran sistemas críticos. Además, las duras condiciones existentes en el espacio, y en particular los efectos de la radiación, suponen un gran desafío para el correcto funcionamiento de los dispositivos electrónicos. Concretamente, los fallos transitorios provocados por radiación (conocidos como soft errors) tienen el potencial de ser una de las mayores amenazas para la fiabilidad de un sistema en el espacio. Las misiones espaciales de gran envergadura, típicamente financiadas públicamente como en el caso de la NASA o la Agencia Espacial Europea (ESA), han tenido históricamente como requisito evitar el riesgo a toda costa por encima de cualquier restricción de coste o plazo. Por ello, la selección de componentes resistentes a la radiación (rad-hard) específicamente diseñados para su uso en el espacio ha sido la metodología imperante en el paradigma que hoy podemos denominar industria espacial tradicional, u Old Space. Sin embargo, los componentes rad-hard tienen habitualmente un coste mucho más alto y unas prestaciones mucho menores que otros componentes COTS equivalentes. De hecho, los componentes COTS ya han sido utilizados satisfactoriamente en misiones de la NASA o la ESA cuando las prestaciones requeridas por la misión no podían ser cubiertas por ningún componente rad-hard existente. En los últimos años, el acceso al espacio se está facilitando debido en gran parte a la entrada de empresas privadas en la industria espacial. Estas empresas no siempre buscan evitar el riesgo a toda costa, sino que deben perseguir una rentabilidad económica, por lo que hacen un balance entre riesgo, coste y plazo mediante gestión del riesgo en un paradigma denominado Nuevo Espacio o New Space. Estas empresas a menudo están interesadas en entregar servicios basados en el espacio con las máximas prestaciones y el mayor beneficio posibles, para lo cual los componentes rad-hard son menos atractivos debido a su mayor coste y menores prestaciones que los componentes COTS existentes. Sin embargo, los componentes COTS no han sido específicamente diseñados para su uso en el espacio y típicamente no incluyen técnicas específicas para evitar que los efectos de la radiación afecten su funcionamiento. Los componentes COTS se comercializan tal cual son, y habitualmente no es posible modificarlos para mejorar su resistencia a la radiación. Además, los elevados niveles de integración de los sistemas en chip (SoC) complejos de altas prestaciones dificultan su observación y la aplicación de técnicas de tolerancia a fallos. Este problema es especialmente relevante en el caso de los microprocesadores. Por tanto, existe un gran interés en el desarrollo de técnicas que permitan conocer y mejorar el comportamiento de los microprocesadores COTS bajo radiación sin modificar su arquitectura y sin interferir en su funcionamiento para facilitar su uso en el espacio y con ello maximizar las prestaciones de las misiones espaciales presentes y futuras. En esta Tesis se han desarrollado técnicas novedosas para detectar, diagnosticar y mitigar los errores producidos por radiación en microprocesadores y sistemas en chip (SoC) comerciales, utilizando la interfaz de traza como punto de observación. La interfaz de traza es un recurso habitual en los microprocesadores modernos, principalmente enfocado a soportar las tareas de desarrollo y depuración del software durante la fase de diseño. Sin embargo, una vez el desarrollo ha concluido, la interfaz de traza típicamente no se utiliza durante la fase operativa del sistema, por lo que puede ser reutilizada sin coste. La interfaz de traza constituye un punto de conexión viable para observar el comportamiento de un microprocesador de forma no intrusiva y sin interferir en su funcionamiento. Como resultado de esta Tesis se ha desarrollado un módulo IP capaz de recabar y decodificar la información de traza de un microprocesador COTS moderno de altas prestaciones. El IP es altamente configurable y personalizable para adaptarse a diferentes aplicaciones y tipos de procesadores. Ha sido diseñado y validado utilizando el dispositivo Zynq-7000 de Xilinx como plataforma de desarrollo, que constituye un dispositivo COTS de interés en la industria espacial. Este dispositivo incluye un procesador ARM Cortex-A9 de doble núcleo, que es representativo del conjunto de microprocesadores hard-core modernos de altas prestaciones. El IP resultante es compatible con la tecnología ARM CoreSight, que proporciona acceso a información de traza en los microprocesadores ARM. El IP incorpora técnicas para detectar errores en el flujo de ejecución y en los datos de la aplicación ejecutada utilizando la información de traza, en tiempo real y con muy baja latencia. El IP se ha validado en campañas de inyección de fallos y también en radiación con protones y neutrones en instalaciones especializadas. También se ha combinado con otras técnicas de tolerancia a fallos para construir técnicas híbridas de mitigación de errores. Los resultados experimentales obtenidos demuestran su alta capacidad de detección y potencialidad en el diagnóstico de errores producidos por radiación. El resultado de esta Tesis, desarrollada en el marco de un Doctorado Industrial entre la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) y la empresa Arquimea, se ha transferido satisfactoriamente al entorno empresarial en forma de un proyecto financiado por la Agencia Espacial Europea para continuar su desarrollo y posterior explotación. Commercial electronic components, also known as Commercial-Off-The-Shelf (COTS), are present in a wide variety of devices commonly used in our daily life. Particularly, the use of microprocessors and highly integrated System-on-Chip (SoC) devices has fostered the advent of increasingly intelligent electronic devices which sustain the lifestyles and the progress of modern society. Microprocessors are present even in safety-critical systems, such as vehicles, planes, weapons, medical devices, implants, or power plants. In any of these cases, a fault could involve severe human or economic consequences. However, every electronic system deals continuously with internal and external factors that could provoke faults in its operation. The capacity of a system to operate correctly in presence of faults is known as fault-tolerance, and it becomes a requirement in the design and operation of critical systems. Space vehicles such as satellites or spacecraft also incorporate microprocessors to operate autonomously or semi-autonomously during their service life, with the additional difficulty that they cannot be repaired once in-orbit, so they are considered critical systems. In addition, the harsh conditions in space, and specifically radiation effects, involve a big challenge for the correct operation of electronic devices. In particular, radiation-induced soft errors have the potential to become one of the major risks for the reliability of systems in space. Large space missions, typically publicly funded as in the case of NASA or European Space Agency (ESA), have followed historically the requirement to avoid the risk at any expense, regardless of any cost or schedule restriction. Because of that, the selection of radiation-resistant components (known as rad-hard) specifically designed to be used in space has been the dominant methodology in the paradigm of traditional space industry, also known as “Old Space”. However, rad-hard components have commonly a much higher associated cost and much lower performance that other equivalent COTS devices. In fact, COTS components have already been used successfully by NASA and ESA in missions that requested such high performance that could not be satisfied by any available rad-hard component. In the recent years, the access to space is being facilitated in part due to the irruption of private companies in the space industry. Such companies do not always seek to avoid the risk at any cost, but they must pursue profitability, so they perform a trade-off between risk, cost, and schedule through risk management in a paradigm known as “New Space”. Private companies are often interested in deliver space-based services with the maximum performance and maximum benefit as possible. With such objective, rad-hard components are less attractive than COTS due to their higher cost and lower performance. However, COTS components have not been specifically designed to be used in space and typically they do not include specific techniques to avoid or mitigate the radiation effects in their operation. COTS components are commercialized “as is”, so it is not possible to modify them to improve their susceptibility to radiation effects. Moreover, the high levels of integration of complex, high-performance SoC devices hinder their observability and the application of fault-tolerance techniques. This problem is especially relevant in the case of microprocessors. Thus, there is a growing interest in the development of techniques allowing to understand and improve the behavior of COTS microprocessors under radiation without modifying their architecture and without interfering with their operation. Such techniques may facilitate the use of COTS components in space and maximize the performance of present and future space missions. In this Thesis, novel techniques have been developed to detect, diagnose, and mitigate radiation-induced errors in COTS microprocessors and SoCs using the trace interface as an observation point. The trace interface is a resource commonly found in modern microprocessors, mainly intended to support software development and debugging activities during the design phase. However, it is commonly left unused during the operational phase of the system, so it can be reused with no cost. The trace interface constitutes a feasible connection point to observe microprocessor behavior in a non-intrusive manner and without disturbing processor operation. As a result of this Thesis, an IP module has been developed capable to gather and decode the trace information of a modern, high-end, COTS microprocessor. The IP is highly configurable and customizable to support different applications and processor types. The IP has been designed and validated using the Xilinx Zynq-7000 device as a development platform, which is an interesting COTS device for the space industry. This device features a dual-core ARM Cortex-A9 processor, which is a good representative of modern, high-end, hard-core microprocessors. The resulting IP is compatible with the ARM CoreSight technology, which enables access to trace information in ARM microprocessors. The IP is able to detect errors in the execution flow of the microprocessor and in the application data using trace information, in real time and with very low latency. The IP has been validated in fault injection campaigns and also under proton and neutron irradiation campaigns in specialized facilities. It has also been combined with other fault-tolerance techniques to build hybrid error mitigation approaches. Experimental results demonstrate its high detection capabilities and high potential for the diagnosis of radiation-induced errors. The result of this Thesis, developed in the framework of an Industrial Ph.D. between the University Carlos III of Madrid (UC3M) and the company Arquimea, has been successfully transferred to the company business as a project sponsored by European Space Agency to continue its development and subsequent commercialization. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidenta: María Luisa López Vallejo.- Secretario: Enrique San Millán Heredia.- Vocal: Luigi Di Lillo

El proyecto que se presenta en este documento, consiste en el diseño y fabricación de un dispositivo domótico, que aporta modularidad al usuario, permitiéndole configurar el dispositivo según las necesidades de su hogar, mediante un menú sencillo de configuración, en el cual el usuario establece el tipo y número de aparatos electrónicos que van a ser conectados al dispositivo. Para llevar a cabo las fases de diseño y fabricación del prototipo que servirá como ejemplo durante la presentación de este proyecto, se han utilizado distintos programas y tecnologías. Estos programas y tecnologías serán introducidos a lo largo del documento. El dispositivo presentado, estará fijado a la pared y estará conectado a los aparatos que va a controlar mediante el cableado existente en el edificio. Una vez el dispositivo está configurado, el usuario podrá realizar diferentes funciones con cada uno de los aparatos eléctricos a los que está conectado. El usuario podrá realizar estas funciones mediante la interacción con una pantalla táctil capacitiva, en la que se selecciona el aparato eléctrico sobre el que se desea actuar, así como la función a desempeñar sobre ella. Las funcionalidades que ofrece el dispositivo para los aparatos conectados, son Encender/Apagar, Subir/Bajar intensidad o programar el encendido/apagado. Los aparatos que pueden ser conectados son las luces, sobre las que se pueden realizar todas las acciones descritas, al igual que para los ventiladores, o persianas, que en este caso solo se podrá Subir/Bajar o programar la Subida/Bajada de la persiana. Todas estas funciones estarán integradas en el dispositivo en el cual se basa este proyecto. Este dispositivo es un substituto ideal para las cajas de interruptores mecánicos con varios interruptores, aportando nuevas funcionalidades y un diseño innovador, además de la entrada en modo “Ahorro de energía” cuando el dispositivo no está siendo utilizado. La aportación de este dispositivo respecto a lo existente actualmente en el mercado, será la modularidad que ofrece la fácil configuración de la que dispone, mediante la cual el usuario podrá establecer qué número y tipos de cada dispositivo van a ser conectados. Otra de las ventajas que el dispositivo aporta será el reducido precio del mismo, en comparación con los dispositivos actuales que realizan estas funciones. Ingeniería Superior de Telecomunicaciones

Mención Internacional en el título de doctor The world is going through constant technological changes, and what it seems to be a great improvement to the life in Earth at one moment, can lead to disastrous effects in the future. This has happened several times during the human being history, and one clear example is the climate change, global warming, and greenhouse effect. Since the industrial revolution, the humanity went through several technological changes: some of them allowed us to progress as a civilization, but others will lead us to self-destruction. A recent example is the release of chlorofluorocarbon (CFC) gases that destroyed a huge part of the ozone layer at the Earth’s poles. Nowadays, one of the big problems that we are facing is the massive amount of carbon dioxide that we are throwing into atmosphere, mainly due to the energy generation activities. That is why this thesis is focused on increase the efficiency of devices that produce energy in a cleaner way, using solar energy. Doing so, in a near future we will be able to replace the actual contaminating energy sources for cleaner, non-emitting, renewable energy sources. Of course, this topic is too general, so this work is split in three big sections, intending to give full coverage to the topic. The first section is based onto the building blocks of solar harvesting, i.e., the solar cells. The more mature technology, commercially available is the silicon-based solar cell, but in the last years, a lot of technologies were also developed such as organic photovoltaics or perovskites. Each of these technologies have their own fabrication procedure, being the silicon very expensive and high energy demanding, while in the case of organic or perovskite the fabrication procedures are usually solvent-based and cheaper in terms of energy and material costs. After a brief explanation of the most used thin-film deposition techniques (used on organics and perovskites) the building process of a methylammonium lead iodide perovskite is explained step by step. This fabrication gave a resulting solar cell with a power conversion efficiency of 16.9%. Due to the environmental issues that this novel material can cause (mainly because it has lead in its composition), a lead-free perovskite was also studied (cesium tin iodide). The conclusion extracted from this study is that this lead-free perovskite could have very interesting applications, for example in smart windows, but their electrical conductivity problems should be solved first. Ending with this section, a proof of concept including organic and perovskite photodetectors into a visible light communication system was carried out, resulting in both technologies being able to perform good enough to be part of an audio link (with a bandwith higher than 40 kHz). Once we have a device to work with, in order to stablish their properties, it should be characterized. That is what the second section is about. This characterization must be done in a standardized way, under certain conditions and circumstances. One of these conditions is to have a stable, well-defined illumination source, that can recreate the standard AM1.5G spectrum (which is the spectrum of light that arrives at the Earth’s surface, coming from the Sun). All this restrictions and parameters that dictates whether a light source is valid for this process or not are defined by the International Electrotechnical Commission under the standard IEC 60904-9. During this thesis, due to the necessity of this light to characterize devices, we decided to create one. This gave birth to SUNBOX, our proprietary solar simulator. SUNBOX belongs to a AAA-Class according to the IEC standard, which represents the highest quality possible in solar simulators. It is fully based on light emitting diodes and also customizable, with a tunable spectrum that can go from 0.2 to 1.2 suns and has 14 different wavelengths that can be intensity-tuned freely. It is also clearly distinguishable from the commercial ones because its structure is 3D-printed, so it is lightweight and has a low cost. Due to the intellectual property protection as a utility model, only a brief part regarding the electronic design is explained in this document, together with the calibration procedure that was carried out in terms of spectral match, homogeneity, and temporal instability that qualifies SUNBOX as an AAA-Class solar simulator. At the end of this section, some characterizations made with SUNBOX are shown, using different functionalities, to obtain key parameters in different types of solar cells. The characterization methods that were used, such as I-V curves or spectroscopy impedance are also explained along the document. Finally, in the third section, other approaches to improve the efficiency of the devices were studied, based on the optical treatment of light (light management). This management lies on the ability that some materials have to interact with the incident light, mainly in the form of nanoparticles, nanorods, or small gratings. Using a Finite Element Method simulation software (COMSOL® and JCMSuite®), several results were obtained remarking the importance of the inclusion of a nanostructure inside a device, increasing the amount of photogenerated current by 40% in a hydrogenated amorphous silicon-based device and by 20.5% in a perovskite/silicon tandem solar cell. Furthermore, preliminary results were obtained applying a nanostructure into a deep ultraviolet light emitting diode, that went from a light extraction efficiency value of 4.57% to around 15%, thus, multiplying by three the amount of extracted light with the same electrical power consumption. In summary, the main conclusion of this work is that it is possible to increase the efficiency of actual devices by and important factor and that there is a lot of room for future improvements. A boost in efficiency can be applied not only using novel materials with better electrical and optical properties, but also optimizing the devices that exist nowadays using light management techniques through the inclusion of nanostructures inside these devices. This has been demonstrated during this work using both approaches: the material science, creating a novel material with a cutting-edge fabrication method, unraveling the properties and applications for this material; and the photonics science, simulating the response of the device with the inclusion of a nanostructure in it, showing an outstanding improvement in all three study cases. El mundo actual está constantemente sometido a cambios tecnológicos, y lo que en un momento pudo ser un gran avance para la vida en la Tierra, puede ocasionar efectos desastrosos en el futuro. Esto ha ocurrido en varias ocasiones en la historia de la humanidad y claros ejemplos de ello son el cambio climático, el calentamiento global y el incremento del efecto invernadero. Desde la Revolución Industrial se han producido diversos cambios y avances tecnológicos muy importantes para la sociedad: algunos de ellos nos permitieron avanzar como civilización, pero otros nos dirigen hacia nuestra propia autodestrucción. Un ejemplo reciente podría ser la emisión de los llamados clorofluorocarbonos a la atmósfera, unos gases que destruyeron la mayor parte de la capa de ozono en los polos de la Tierra, ocasionando que una gran parte de radiación solar incidiera en los glaciares polares, incrementando la fusión de ellos y con ello contribuyendo al peligroso deshielo polar. Hoy en día, uno de los grandes problemas a los que nos enfrentamos es la gran cantidad de dióxido de carbono que estamos vertiendo a la atmósfera, principalmente debido a las actividades de generación de energía. Por ello, el objetivo de esta tesis está centrado en incrementar la eficiencia de los dispositivos capaces de producir energía de una forma más limpia, usando la energía solar. De esta forma, en el futuro cercano seremos capaces de sustituir las fuentes de energía contaminantes que usamos actualmente por otras fuentes de energía mas limpia, renovables y que no emitan gases. Cierto es que este tema puede parecer prácticamente inabarcable, y por ello se ha dividido este trabajo en tres secciones principales que se estudian en detalle, para dar cobertura completa a todo el tema. La primera sección está basada en el estudio de las unidades básicas de la recolección de energía solar, las celdas solares. La tecnología más madura comercialmente disponible es la celda solar basada en silicio (tanto monocristalino como policristalino), pero durante los últimos años se han desarrollado otras tecnologías tales como las celdas orgánicas o de perovskita. Cada una de estas tecnologías tiene su propio procedimiento de fabricación, siendo las basadas en silicio las más caras de hacer debido a su procesamiento y a la gran cantidad de energía necesaria para su refinado. Sin embargo, en el caso de las celdas orgánicas y de perovskita los métodos de fabricación están basados en solventes y deposiciones de líquido en capas delgadas, lo que las hace mucho más económicas en términos de materiales y de consumo energético. Después de una breve explicación de las técnicas de deposición de lámina delgada más usadas (aplicables tanto en orgánicas como en perovskitas), se explica el proceso de fabricación paso a paso de una celda solar de yoduro de metilamonio plomo. Esta fabricación dio como resultado una celda solar con un valor de eficiencia del 16.9%. Debido a los problemas ambientales que puede causar este material (ya que contiene plomo, altamente tóxico), durante este trabajo se estudió también una perovskita libre de plomo (yoduro de estaño cesio). La conclusión principal extraída de este estudio es que esta perovskita libre de plomo puede tener aplicaciones muy interesantes, tales como ventanas inteligentes debido a su transparencia, pero sus problemas de conductividad eléctrica deben de ser resueltos en primer lugar, para conseguir un dispositivo eficiente. Para finalizar esta sección, se llevó a cabo una prueba de concepto que consistió en introducir fotodetectores orgánicos y de perovskita en un sistema de comunicación por luz visible (VLC), comprobando que ambas tecnologías respondían de forma correcta para formar parte de un sistema de transmisión de audio (su ancho de banda era superior a 40 kHz en ambos casos). Una vez se dispone de un dispositivo funcional, para poder determinar sus propiedades internas, se debe caracterizar. En esto consiste la segunda sección. Estas caracterizaciones deben hacerse siguiendo los estándares correspondientes, bajo ciertas condiciones y en unas circunstancias determinadas. Una de estas condiciones es tener una fuente de luz estable y bien definida, que pueda recrear el espectro AM1.5G (que es el espectro de luz que llega a la superficie de la Tierra emitido por el Sol) para excitar las muestras que se encuentren bajo análisis. Todas las restricciones y parámetros que determinan si una fuente de luz es adecuada o no para este proceso están definidos por la Comisión Electrotécnica Internacional bajo el estándar IEC 60904-9. Durante el desarrollo de esta tesis, debido a la necesidad de caracterizar dispositivos, se optó por crear una de estas fuentes de luz. Así nació SUNBOX, nuestro simulador solar. SUNBOX pertenece a la clase AAA según el estándar IEC, lo que significa que posee la mayor calidad posible como simulador solar. Está completamente basado en diodos emisores de luz y también es personalizable, con un espectro ajustable que puede cubrir desde 0.2 hasta 1.2 soles. Dispone de 14 longitudes de onda de emisión diferentes que también pueden ser ajustadas libremente, de forma que se pueden realizar análisis en longitudes de onda concretas, tales como azul, ultravioleta o infrarrojo. Es fácilmente distinguible de sus contrapartes comerciales disponibles en el mercado, ya que su chasis está realizado por impresión 3D, así que es muy ligero y de bajo coste. Debido a la protección de la propiedad intelectual bajo un modelo de utilidad y un registro software, solo una parte del diseño electrónico se explica en este documento, junto con todo el procedimiento de calibración que se llevó a cabo en términos de coincidencia espectral, homogeneidad y estabilidad temporal, que clasifican a SUNBOX como un simulador solar de clase AAA. Al final de esta sección, se muestran algunas de las caracterizaciones de dispositivos llevadas a cabo con SUNBOX, usando sus diferentes funcionalidades para obtener parámetros clave de distintos tipos de celdas solares. Los métodos de caracterización llevados a cabo, tales como el trazado de curvas tensión corriente o la espectroscopía de impedancias también se explican en el documento. Por último, en la tercera sección, se estudian otras técnicas para mejorar la eficiencia de los dispositivos, basadas en el tratamiento óptico de la luz (gestión de la luz o “light management”). Esta gestión de la luz se basa en la habilidad que tienen algunos materiales para interactuar con la luz que incide sobre ellos. Normalmente estos materiales necesitan estar en forma de nanopartículas, nanobarras o pequeñas redes de difracción. Usando varios softwares de simulación (COMSOL® y JCMSuite®) basados en el método de elementos finitos (FEM), se han obtenido varios resultados que remarcan la importancia de incluir nanoestructuras dentro de los dispositivos, incrementando la cantidad de corriente fotogenerada en un 40% en un dispositivo basado en silicio amorfo hidrogenado y en un 20.5% en un dispositivo basado en un tándem de perovskita y silicio monocristalino. Además, se han obtenido resultados preliminares que demuestran que estas nanoestructuras pueden ser también muy efectivas no solo en dispositivos receptores de luz, sino también en emisores. En este caso se aplicó una nanoestructura a un diodo emisor de luz ultravioleta profunda, que mejoró su eficiencia de extracción de luz de un 4.57% a alrededor de un 15%, triplicando la cantidad de luz emitida con el mismo consumo de potencia eléctrica. En resumen, la conclusión principal de este trabajo es que es posible incrementar la eficiencia de los dispositivos actuales de una forma sustancial, quedando aún mucho espacio para mejorar. Se ha demostrado que un incremento en la eficiencia puede obtenerse no solo usando materiales novedosos con mejores propiedades ópticas y eléctricas, sino también optimizando los dispositivos existentes actualmente usando técnicas de gestión de la luz a través de la inclusión de nanoestructuras en estos dispositivos. Respecto a la primera aproximación, relacionada con la ciencia de materiales, en este trabajo se ha fabricado un material novedoso usando una técnica de fabricación poco explorada en estas aplicaciones (co-evaporación), descubriendo las propiedades y posibles aplicaciones de este material. Respecto a la segunda aproximación, relacionada con la fotónica, se han creado diseños de nanoestructuras y se ha simulado su respuesta, descubriendo una mejora muy importante en la eficiencia de los tres dispositivos estudiados. The present work has been funded from the following projects: • Comunidad de Madrid through SINFOTON-CM Research Program (S2013/MIT-2790) and SINFOTON2-CM (S2018/NMT-4326) • Ministerio de Economia, Agencia Estatal de Investigación and European Union’s FEDER through TEC2016-77242-C3-(1-R, 2-R and 3-R) AEI/FEDER, UE Projects. • European Research Council (ERC) via Consolidator Grant (724424-No-LIMIT) • Generalitat Valenciana via Prometeo Grant Q-Devices (Prometeo/2018/098) • European Commission via FET Open grant (862656-DROP-IT) Also, this project could not be possible with the financial support of the Ministerio de Educación y Formación Profesional through the following grants that I have received: • Doctoral Grant FPU research fellowship (FPU17/00612). • Research Stay Grant (EST18/00399) supporting my research stay at Jaume I University (Castellón, Spain) • Research Stay Grant (EST19/00073) supporting my research stay at Helmholtz Zentrum Berlin and Zuse Institute Berlin (Berlin, Germany). Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Javier Alda Serrano.- Secretario: Fernando B. Naranjo Vega.- Vocal: Sven Burger

En este trabajo se ha explorado una línea de investigación sobre nuevos controles digitales orientados a aplicaciones emergentes de los sistemas electrónicos de potencia. Se explota la capacidad de un sistema de identificación de obtener la dinámica de un convertidor de potencia en lazo abierto o lazo cerrado, asegurando el mínimo impacto en su funcionamiento en condiciones normales debido a la necesidad de introducir una señal de perturbación en la variable de control para registrar su respuesta y posterior procesado de las señales. La integración completa de los diversos sistemas desarrollados en un mismo dispositivo digital permite ampliar las funcionalidades del sistema más allá de la identificación de la planta de un convertidor. Esto ha permitido el desarrollo e implementación de funciones como la determinación automática de la amplitud de la perturbación que establece un valor de magnitud de la perturbación empleada en el proceso de identificación adaptada al convertidor del cual se quiere obtener su dinámica, independientemente de su topología, asegurando un resultado lo suficientemente limpio para el cálculo y ejecución de su respectivo control a la vez que asegura la mínima interferencia en la señal de salida (por ejemplo, tensión de salida) cuando este funciona en lazo cerrado. Se ha desarrollado la capacidad de identificar la impedancia de entrada en un sistema de convertidores o red de convertidores. Una típica causa de inestabilidad en estas redes es la disparidad entre la impedancia de salida del convertidor que alimenta un bus de continua y la impedancia de entrada de los convertidores CC/CC regulados que actúan como cargas (los que están conectados al bus). Este tipo de convertidores que actúan como carga normalmente funcionan como fuentes de potencia constante e introducen una impedancia negativa característica en baja frecuencia que tiende a oscilar con la impedancia de salida del convertidor que regula el bus. La condición necesaria que se debe cumplir es que la impedancia de salida del convertidor que regula el bus (convertidor fuente) tiene que ser menor que la impedancia de entrada equivalente de los convertidores a los que está alimentando (convertidores carga). La propuesta de esta tesis es profundizar en la utilización de técnicas de identificación de la respuesta en frecuencia y en la caracterización de la impedancia de salida del convertidor fuente con el objetivo de poder diseñar un lazo de control que se autoajuste y minimice el riesgo de inestabilidades en este tipo de sistemas. çDisponer de un sistema de identificación funcional de la dinámica de un convertidor de potencia proporciona la capacidad de desarrollar o expandir aplicaciones. Una de las presentadas en este documento es el proceso de auto-diseño del sistema de control de un convertidor. Este sistema, a partir del diagrama de Bode identificado, está en capacidad de buscar la mayor frecuencia de cruce posible para un margen de fase establecido que aseguren la viabilidad del regulador diseñado. Se ha desarrollado la capacidad de monitorización del estado de un convertidor de potencia a través de la estimación del valor de la impedancia de su condensador de salida. Se ha desarrollado un sistema que consta de dos subsistemas principales: el sistema de monitorización que se encarga de obtener el diagrama de Bode del convertidor mediante el sistema de identificación y comparar este con un modelo teórico en busca de diferencias significativas que en caso de encontrarse pasa al segundo subsistema; el segundo subsistema es el que se encarga de determinar la impedancia del condensador de salida. Este proceso busca estimar los valores de capacidad y resistencia serie equivalente (ESR) mediante el ajuste del modelo teórico a la medida experimental del diagrama de Bode identificado. El principal objetivo de este sistema es la de vigilar la salud de un convertidor de potencia y que sea capaz de dar aviso de un posible requerimiento de mantenimiento. Por último, las plataformas digitales actuales de tipo System on Chip (SoC) proporcionan las capacidades de procesamiento y almacenamiento de datos suficientes como para permitir implementar sistemas sincronizados y con comunicación constante entre los diferentes procesos mediante buses de datos. Esto lleva a la consecución de un sistema autónomo u online y que ejecuta los procesos necesarios en el momento que sean requeridos. Todos los procesos descritos en este documento se integran en una misma plataforma digital asegurando el comportamiento totalmente online del sistema, sin necesidad de equipos externos como ordenadores para el procesamiento de datos (analítico o matemático). El ordenador sólo interviene en la recepción de los resultados finales, con el fin de depurar el funcionamiento del sistema (al principio del desarrollo) y documentar los resultados. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Emilio Olías Ruiz.- Secretario: Alberto Sánchez González.- Vocal: Francisco Javier Azcondo Sánchez

The main objective of the thesis is to study high bandwidth communication systems for different network architectures from the end user at the in-home scenario to the service provider through the mobile cellular front-haul network. This is in parallel with the integration of power over fiber (PoF) technology in these systems. The present work received funds from the following Spanish and international projects: - Spanish Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, “Tecnologías avanzadas inteligentes basadas en fibras ópticas/Advanced SMART technologies based on Optical Fibers (SMART-OF)”, grant no. RTI2018-094669-B-C32, within the coordinated project “Polymer Optical Fiber Disruptive Technologies (POFTECH)”. - Spanish Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades “LAboratorio de montaje, medida y CAracterización de antenas y dispositivos integrados fotónicos para comunicaciones 5G y de espacio en milimétricas, submilimétricas y THz (hasta 320 GHz) (LACA5G))”, grant no. EQC2018-005152-P. - Comunidad de Madrid “TElealimentación FotovoLtaica por fibra Óptica para medida y coNtrol en entornos extremos (TEFLON-CM)”, grant no. Y2018/EMT-4892. - Comunidad de Madrid “Sensores e Instrumentación en Tecnologías Fotónicas 2 (SINFOTON-2)”, grant no. P2018/NMT-4326, coordinated project with UC3MUPM- UAH-URCJ-CSIC. - H2020 European Union programme Bluespace project “Building the Use of Spatial Multiplexing 5G Networks Infrastructures and Showcasing Advanced Technologies and Networking Capabilities” grant nº.762055. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Beatriz Ortega Tamarit.- Secretario: Guillermo Carpintero del Barrio.- Vocal: Óscar Esteban Martínez

En los últimos años se han multiplicado los escenarios donde la biometría es utilizada como método de identificación de individuos. Actualmente la aplicación de sistemas de reconocimiento biométrico abarca varios sectores, desde aplicaciones a gran escala como el control de fronteras o la identificación de ciudadanos a través de documentos de identidad electrónicos, hasta tareas cotidianas como desbloquear un teléfono móvil o extraer dinero de un cajero automático. La biometría ha emergido como una alternativa a los métodos de autenticación tradicionales (p.ej., PIN, contraseñas), ofreciendo mayor fiabilidad y, al mismo tiempo, más conveniencia al usuario. Sin embargo, el amplio despliegue de sistemas biométricos ha incrementado las preocupaciones con respecto al posible mal uso de la información sensible manejada. Por tanto, identificar las brechas de seguridad de estos sistemas y, a partir de ellas, diseñar soluciones que permitan minimizar los riesgos detectados, es de gran importancia para la aceptación definitiva de las tecnologías biométricas en entornos de seguridad. Aunque un sistema biométrico puede verse comprometido de diferentes maneras, el acceso no autorizado a los patrones biométricos almacenados ha sido identificado como una de las peores amenazas, debido a los graves problemas de seguridad y privacidad que traen aparejado. Con el fin de resolver estos problemas, se han desarrollado diferentes técnicas de protección de patrones biométricos (BTP, Biometric Template Protection) que evitan la fuga de la información sensible almacenada en estos sistemas. En el caso particular de la modalidad de firma manuscrita, los sistemas basados en esta característica biométrica típicamente están asociados a contextos legales, donde la firma biométrica presentada por el usuario no solo es utilizada como mecanismo de autenticación, sino que además aporta aceptación y autenticidad al contenido de un documento electrónico. Estos escenarios, donde se trata con información delicada, son propensos a actividades delictivas como la usurpación de identidad y por ello, conviene aplicar técnicas BTP que aporten robustez de los sistemas de reconocimiento basados en firma. A partir de lo expuesto anteriormente, esta tesis se centra en la implementación de un esquema cripto-biométrico Fuzzy Vault (FV) basado en patrones de longitud fija aplicado al reconocimiento de firma manuscrita dinámica. Con el fin de maximizar el rendimiento de verificación del esquema de protección utilizado, se han seguido dos estrategias. Por un lado, los patrones de representación de la firma son generados a partir de métricas con probada capacidad discriminatoria como son, el tiempo y el número de trazos, lo que ha permitido utilizar un conjunto reducido de características globales de la firma. Por otro lado, se incorpora una fase de entrenamiento inicial con el objetivo de optimizar el funcionamiento del esquema de protección considerado. Para la implementación de esta fase de entrenamiento, se ha desarrollado una metodología que permite estimar los parámetros apropiados para el cálculo de los patrones biométricos y establecer la configuración ´optima del esquema FV. El rendimiento del sistema ha sido evaluado usando tres bases de datos: MCYT y DS2-BioSecure las cuales están disponibles públicamente y además, una base de datos privada. Los resultados de las evaluaciones demostraron que es posible obtener referencias protegidas más robustas frente a ataques, mientras el rendimiento de verificación se mantiene prácticamente inalterado con respecto al sistema desprotegido equivalente. Además, se han obtenido tiempos de verificación muy reducidos, los cuales son aceptables para aplicaciones que requieren una respuesta en tiempo real. During the last decade, scenarios using biometrics as a method of authentication for individuals have gained popularity. Currently, biometric recognition systems are present in several areas, from large scale applications (e.g., border controls or the identification of individuals with electronic identity documents), to everyday tasks such as unlocking a mobile phone or withdrawing cash from ATM. Biometrics have emerged as an alternative authentication method to traditional ones (e.g. PIN, passwords), providing better reliability and user convenience. However, the wide deployment of biometric-based recognition systems has increased the concerns about the potential misuse of the sensitive information managed. Therefore, for a greater acceptance of biometric technologies in security environments it is important to detect the security breaches of these systems and to develop the solutions that mitigate such vulnerabilities. Although a biometric system can be attacked in many ways, unauthorized access to stored biometric templates has been identified as one of the most damaging threats, as it can lead to serious security and privacy problems. To overcome these issues, different Biometric Template Protection schemes (BTP) have been designed as a countermeasure to minimize the risk of leakage of the sensitive information stored in these systems. Typically, the use of the handwritten signature biometric modality is associated to legal contexts, where the signature is used not only as an identification method, but also in validating the authenticity of an electronic document. Especially in these scenarios, which are prone to criminal actions like identity frauds, it is advisable to use a BTP scheme to improve the robustness of signature-based recognition systems. This thesis is focused on the implementation of a Fuzzy Vault (FV) scheme based on fixed-length templates with application to dynamic signature verification. Two main strategies have been considered in order to improve the performance of the proposed BTP scheme. On one hand, signature representation templates are generated from highly discriminative characteristics like the time and the number of strokes, which allows the utilization of a reduced set of global features of the signature. On the other hand, an initial training phase has been incorporated for the performance optimization of the considered BTP scheme. To implement this initial training phase, a methodology has been proposed to estimate the appropriated parameters for the biometric template computation and to determine the optimal settings of the FV scheme. The performance of the proposed system has been evaluated using three data bases: a proprietary collection of signatures, and the publicly available databases MCYT and BioSecure. As an outcome, robust-against-attacks protected references were obtained, while the verifications accuracy is not significantly degraded with respect to an equivalent unprotected system. In addition, a good performance has been obtained in terms of verification time, which is acceptable for real-time applications. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Carmen Sánchez Ávila.- Secretario: Mariano López García.- Vocal: Enrique Fernando Cantó Navarro

A medida que el ser humano busca llegar a los confines del universo, el desarrollo tecnológico va en aumento, pero a veces no lo suficientemente rápido como se gustaría. Los avances tecnológicos, no eliminan las duras condiciones que existen en el espacio. Estas características no solo dificultan la vida, sino que también lo hacen con la tecnología. La electrónica depende de materiales muy específicas para funcionar que a ciertas condiciones cambian sus propiedades. En el espacio, la generación de energía es clave para mantener la vida, y esta energía por lo general viene del sol. Para poder utilizar esta energía, es necesario transformarla mediante paneles solares y, tratarla para poder enviársela a cada uno de los subsistemas de una nave o satélite. Este proyecto tiene como objetivo diseñar un convertidor CC-CC que forme parte de un conjunto de circuitos que se encarguen de gestionar la energía de una nave espacial o satélite. Dada las características del proyecto se busca conseguir un sistema dotado de mucha eficiencia y buenas prestaciones. Para el proyecto, se ha realizado un análisis de distintos convertidores para poder optar al que mejor cumpla las características establecidas. Además, se ha diseñado el convertidor CC-CC con componentes muy concretos, para aumentar las prestaciones y eficiencia, y así poder desarrollar un sistema tanto fiable como seguro para el resto de los circuitos para que ningún inconveniente afecte al sistema completo. Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

Mención Internacional en el título de doctor In the last few decades, we have witnessed a large-scale deployment of biometric systems in different life applications replacing the traditional recognition methods such as passwords and tokens. We approached a time where we use biometric systems in our daily life. On a personal scale, the authentication to our electronic devices (smartphones, tablets, laptops, etc.) utilizes biometric characteristics to provide access permission. Moreover, we access our bank accounts, perform various types of payments and transactions using the biometric sensors integrated into our devices. On the other hand, different organizations, companies, and institutions use biometric-based solutions for access control. On the national scale, police authorities and border control measures use biometric recognition devices for individual identification and verification purposes. Therefore, biometric systems are relied upon to provide a secured recognition where only the genuine user can be recognized as being himself. Moreover, the biometric system should ensure that an individual cannot be identified as someone else. In the literature, there are a surprising number of experiments that show the possibility of stealing someone’s biometric characteristics and use it to create an artificial biometric trait that can be used by an attacker to claim the identity of the genuine user. There were also real cases of people who successfully fooled the biometric recognition system in airports and smartphones [1]–[3]. That urges the necessity to investigate the potential threats and propose countermeasures that ensure high levels of security and user convenience. Consequently, performing security evaluations is vital to identify: (1) the security flaws in biometric systems, (2) the possible threats that may target the defined flaws, and (3) measurements that describe the technical competence of the biometric system security. Identifying the system vulnerabilities leads to proposing adequate security solutions that assist in achieving higher integrity. This thesis aims to investigate the vulnerability of fingerprint modality to presentation attacks in unsupervised environments, then implement mechanisms to detect those attacks and avoid the misuse of the system. To achieve these objectives, the thesis is carried out in the following three phases. In the first phase, the generic biometric system scheme is studied by analyzing the vulnerable points with special attention to the vulnerability to presentation attacks. The study reviews the literature in presentation attack and the corresponding solutions, i.e. presentation attack detection mechanisms, for six biometric modalities: fingerprint, face, iris, vascular, handwritten signature, and voice. Moreover, it provides a new taxonomy for presentation attack detection mechanisms. The proposed taxonomy helps to comprehend the issue of presentation attacks and how the literature tried to address it. The taxonomy represents a starting point to initialize new investigations that propose novel presentation attack detection mechanisms. In the second phase, an evaluation methodology is developed from two sources: (1) the ISO/IEC 30107 standard, and (2) the Common Evaluation Methodology by the Common Criteria. The developed methodology characterizes two main aspects of the presentation attack detection mechanism: (1) the resistance of the mechanism to presentation attacks, and (2) the corresponding threat of the studied attack. The first part is conducted by showing the mechanism's technical capabilities and how it influences the security and ease-of-use of the biometric system. The second part is done by performing a vulnerability assessment considering all the factors that affect the attack potential. Finally, a data collection is carried out, including 7128 fingerprint videos of bona fide and attack presentation. The data is collected using two sensing technologies, two presentation scenarios, and considering seven attack species. The database is used to develop dynamic presentation attack detection mechanisms that exploit the fingerprint spatio-temporal features. In the final phase, a set of novel presentation attack detection mechanisms is developed exploiting the dynamic features caused by the natural fingerprint phenomena such as perspiration and elasticity. The evaluation results show an efficient capability to detect attacks where, in some configurations, the mechanisms are capable of eliminating some attack species and mitigating the rest of the species while keeping the user convenience at a high level. En las últimas décadas, hemos asistido a un despliegue a gran escala de los sistemas biométricos en diferentes aplicaciones de la vida cotidiana, sustituyendo a los métodos de reconocimiento tradicionales, como las contraseñas y los tokens. Actualmente los sistemas biométricos ya forman parte de nuestra vida cotidiana: es habitual emplear estos sistemas para que nos proporcionen acceso a nuestros dispositivos electrónicos (teléfonos inteligentes, tabletas, ordenadores portátiles, etc.) usando nuestras características biométricas. Además, accedemos a nuestras cuentas bancarias, realizamos diversos tipos de pagos y transacciones utilizando los sensores biométricos integrados en nuestros dispositivos. Por otra parte, diferentes organizaciones, empresas e instituciones utilizan soluciones basadas en la biometría para el control de acceso. A escala nacional, las autoridades policiales y de control fronterizo utilizan dispositivos de reconocimiento biométrico con fines de identificación y verificación individual. Por lo tanto, en todas estas aplicaciones se confía en que los sistemas biométricos proporcionen un reconocimiento seguro en el que solo el usuario genuino pueda ser reconocido como tal. Además, el sistema biométrico debe garantizar que un individuo no pueda ser identificado como otra persona. En el estado del arte, hay un número sorprendente de experimentos que muestran la posibilidad de robar las características biométricas de alguien, y utilizarlas para crear un rasgo biométrico artificial que puede ser utilizado por un atacante con el fin de reclamar la identidad del usuario genuino. También se han dado casos reales de personas que lograron engañar al sistema de reconocimiento biométrico en aeropuertos y teléfonos inteligentes [1]–[3]. Esto hace que sea necesario investigar estas posibles amenazas y proponer contramedidas que garanticen altos niveles de seguridad y comodidad para el usuario. En consecuencia, es vital la realización de evaluaciones de seguridad para identificar (1) los fallos de seguridad de los sistemas biométricos, (2) las posibles amenazas que pueden explotar estos fallos, y (3) las medidas que aumentan la seguridad del sistema biométrico reduciendo estas amenazas. La identificación de las vulnerabilidades del sistema lleva a proponer soluciones de seguridad adecuadas que ayuden a conseguir una mayor integridad. Esta tesis tiene como objetivo investigar la vulnerabilidad en los sistemas de modalidad de huella dactilar a los ataques de presentación en entornos no supervisados, para luego implementar mecanismos que permitan detectar dichos ataques y evitar el mal uso del sistema. Para lograr estos objetivos, la tesis se desarrolla en las siguientes tres fases. En la primera fase, se estudia el esquema del sistema biométrico genérico analizando sus puntos vulnerables con especial atención a los ataques de presentación. El estudio revisa la literatura sobre ataques de presentación y las soluciones correspondientes, es decir, los mecanismos de detección de ataques de presentación, para seis modalidades biométricas: huella dactilar, rostro, iris, vascular, firma manuscrita y voz. Además, se proporciona una nueva taxonomía para los mecanismos de detección de ataques de presentación. La taxonomía propuesta ayuda a comprender el problema de los ataques de presentación y la forma en que la literatura ha tratado de abordarlo. Esta taxonomía presenta un punto de partida para iniciar nuevas investigaciones que propongan novedosos mecanismos de detección de ataques de presentación. En la segunda fase, se desarrolla una metodología de evaluación a partir de dos fuentes: (1) la norma ISO/IEC 30107, y (2) Common Evaluation Methodology por el Common Criteria. La metodología desarrollada considera dos aspectos importantes del mecanismo de detección de ataques de presentación (1) la resistencia del mecanismo a los ataques de presentación, y (2) la correspondiente amenaza del ataque estudiado. Para el primer punto, se han de señalar las capacidades técnicas del mecanismo y cómo influyen en la seguridad y la facilidad de uso del sistema biométrico. Para el segundo aspecto se debe llevar a cabo una evaluación de la vulnerabilidad, teniendo en cuenta todos los factores que afectan al potencial de ataque. Por último, siguiendo esta metodología, se lleva a cabo una recogida de datos que incluye 7128 vídeos de huellas dactilares genuinas y de presentación de ataques. Los datos se recogen utilizando dos tecnologías de sensor, dos escenarios de presentación y considerando siete tipos de instrumentos de ataque. La base de datos se utiliza para desarrollar y evaluar mecanismos dinámicos de detección de ataques de presentación que explotan las características espacio-temporales de las huellas dactilares. En la fase final, se desarrolla un conjunto de mecanismos novedosos de detección de ataques de presentación que explotan las características dinámicas causadas por los fenómenos naturales de las huellas dactilares, como la transpiración y la elasticidad. Los resultados de la evaluación muestran una capacidad eficiente de detección de ataques en la que, en algunas configuraciones, los mecanismos son capaces de eliminar completamente algunos tipos de instrumentos de ataque y mitigar el resto de los tipos manteniendo la comodidad del usuario en un nivel alto. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Cristina Conde Vila.- Secretario: Mariano López García.- Vocal: Farzin Deravi

Mención Internacional en el título de doctor Pattern identification is a widely known technology, which is used on a daily basis for both identification and authentication. Examples include biometric identification (fingerprint or facial), number plate recognition or voice recognition. However, when we move into the world of medical diagnostics this changes substantially. This field applies many of the recent innovations and technologies, but it is more difficult to see cases of pattern recognition applied to diagnostics. In addition, the cases where they do occur are always supervised by a specialist and performed in controlled environments. This behaviour is expected, as in this field, a false negative (failure to identify pathology when it does exists) can be critical and lead to serious consequences for the patient. This can be mitigated by configuring the algorithm to be safe against false negatives, however, this will raise the false positive rate, which may increase the workload of the specialist in the best case scenario or even result in a treatment being given to a patient who does not need it. This means that, in many cases, validation of the algorithm’s decision by a specialist is necessary, however, there may be cases where this validation is not so essential, or where this first identification can be treated as a guideline to help the specialist. With this objective in mind, this thesis focuses on the development of an algorithm for the identification of lower body pathologies. This identification is carried out by means of the way people walk (gait). People’s gait differs from one person to another, even making biometric identification possible through its use. however, when the people has a pathology, both physical or psychological, the gait is affected. This alteration generates a common pattern depending on the type of pathology. However, this thesis focuses exclusively on the identification of physical pathologies. Another important aspect in this thesis is that the different algorithms are created with the idea of portability in mind, avoiding the obligation of the user to carry out the walks with excessive restrictions (both in terms of clothing and location). First, different algorithms are developed using different configurations of smartphones for database acquisition. In particular, configurations using 1, 2 and 4 phones are used. The phones are placed on the legs using special holders so that they cannot move freely. Once all the walks have been captured, the first step is to filter the signals to remove possible noise. The signals are then processed to extract the different gait cycles (corresponding to two steps) that make up the walks. Once the feature extraction process is finished, part of the features are used to train different machine learning algorithms, which are then used to classify the remaining features. However, the evidence obtained through the experiments with the different configurations and algorithms indicates that it is not feasible to perform pathology identification using smartphones. This can be mainly attributed to three factors: the quality of the signals captured by the phones, the unstable sampling frequency and the lack of synchrony between the phones. Secondly, due to the poor results obtained using smartphones, the capture device is changed to a professional motion acquisition system. In addition, two types of algorithm are proposed, one based on neural networks and the other based on the algorithms used previously. Firstly, the acquisition of a new database is proposed. To facilitate the capture of the data, a procedure is established, which is proposed to be in an environment of freedom for the user. Once all the data are available, the preprocessing to be carried out is similar to that applied previously. The signals are filtered to remove noise and the different gait cycles that make up the walks are extracted. However, as we have information from several sensors and several locations for the capture device, instead of using a common cut-off frequency, we empirically set a cut-off frequency for each signal and position. Since we already have the data ready, a recurrent neural network is created based on the literature, so we can have a first approximation to the problem. Given the feasibility of the neural network, different experiments are carried out with the aim of improving the performance of the neural network. Finally, the other algorithm picks up the legacy of what was seen in the first part of the thesis. As before, this algorithm is based on the parameterisation of the gait cycles for its subsequent use and employs algorithms based on machine learning. Unlike the use of time signals, by parameterising the cycles, spurious data can be generated. To eliminate this data, the dataset undergoes a preparation phase (cleaning and scaling). Once a prepared dataset has been obtained, it is split in two, one part is used to train the algorithms, which are used to classify the remaining samples. The results of these experiments validate the feasibility of this algorithm for pathology detection. Next, different experiments are carried out with the aim of reducing the amount of information needed to identify a pathology, without compromising accuracy. As a result of these experiments, it can be concluded that it is feasible to detect pathologies using only 2 sensors placed on a leg. La identificación de patrones es una tecnología ampliamente conocida, la cual se emplea diariamente tanto para identificación como para autenticación. Algunos ejemplos de ello pueden ser la identificación biométrica (dactilar o facial), el reconocimiento de matrículas o el reconocimiento de voz. Sin embargo, cuando nos movemos al mundo del diagnóstico médico esto cambia sustancialmente. Este campo aplica muchas de las innovaciones y tecnologías recientes, pero es más difícil ver casos de reconocimiento de patrones aplicados al diagnóstico. Además, los casos donde se dan siempre están supervisados por un especialista y se realizan en ambientes controlados. Este comportamiento es algo esperado, ya que, en este campo, un falso negativo (no identificar la patología cuando esta existe) puede ser crítico y provocar consecuencias graves para el paciente. Esto se puede intentar paliar, configurando el algoritmo para que sea seguro frente a los falsos negativos, no obstante, esto aumentará la tasa de falsos positivos, lo cual puede aumentar el trabajo del especialista en el mejor de los casos o incluso puede provocar que se suministre un tratamiento a un paciente que no lo necesita. Esto hace que, en muchos casos sea necesaria la validación de la decisión del algoritmo por un especialista, sin embargo, pueden darse casos donde esta validación no sea tan esencial, o que se pueda tratar a esta primera identificación como una orientación de cara a ayudar al especialista. Con este objetivo en mente, esta tesis se centra en el desarrollo de un algoritmo para la identificación de patologías del tren inferior. Esta identificación se lleva a cabo mediante la forma de caminar de la gente (gait, en inglés). La forma de caminar de la gente difiere entre unas personas y otras, haciendo posible incluso la identificación biométrica mediante su uso. Sin embargo, esta también se ve afectada cuando se presenta una patología, tanto física como psíquica, que afecta a las personas. Esta alteración, genera un patrón común dependiendo del tipo de patología. No obstante, esta tesis se centra exclusivamente la identificación de patologías físicas. Otro aspecto importante en esta tesis es que los diferentes algoritmos se crean con la idea de la portabilidad en mente, evitando la obligación del usuario de realizar los paseos con excesivas restricciones (tanto de vestimenta como de localización). En primer lugar, se desarrollan diferentes algoritmos empleando diferentes configuraciones de teléfonos inteligentes para la adquisición de la base de datos. En concreto se usan configuraciones empleando 1, 2 y 4 teléfonos. Los teléfonos se colocan en las piernas empleando sujeciones especiales, de tal modo que no se puedan mover libremente. Una vez que se han capturado todos los paseos, el primer paso es filtrar las señales para eliminar el posible ruido que contengan. Seguidamente las señales se procesan para extraer los diferentes ciclos de la marcha (que corresponden a dos pasos) que componen los paseos. Una vez terminado el proceso de extracción de características, parte de estas se emplean para entrenar diferentes algoritmos de machine learning, los cuales luego son empleados para clasificar las restantes características. Sin embargo, las evidencias obtenidas a través de la realización de los experimentos con las diferentes configuración y algoritmos indican que no es viable realizar una identificación de patologías empleando teléfonos inteligentes. Principalmente esto se puede achacar a tres factores: la calidad de las señales capturadas por los teléfonos, la frecuencia de muestreo inestable y la falta de sincronía entre los teléfonos. Por otro lado, a raíz de los pobres resultados obtenidos empleado teléfonos inteligentes se cambia el dispositivo de captura a un sistema profesional de adquisición de movimiento. Además, se plantea crear dos tipos de algoritmo, uno basado en redes neuronales y otro basado en los algoritmos empleados anteriormente. Primeramente, se plantea la adquisición de una nueva base de datos. Para ellos se establece un procedimiento para facilitar la captura de los datos, los cuales se plantea han de ser en un entorno de libertad para el usuario. Una vez que se tienen todos los datos, el preprocesado que se realizar es similar al aplicado anteriormente. Las señales se filtran para eliminar el ruido y se extraen los diferentes ciclos de la marcha que componen los paseos. Sin embargo, como para el dispositivo de captura tenemos información de varios sensores y varias localizaciones, el lugar de emplear una frecuencia de corte común, empíricamente se establece una frecuencia de corte para cada señal y posición. Dado que ya tenemos los datos listos, se crea una red neuronal recurrente basada en la literatura, de este modo podemos tener una primera aproximación al problema. Vista la viabilidad de la red neuronal, se realizan diferentes experimentos con el objetivo de mejorar el rendimiento de esta. Finalmente, el otro algoritmo recoge el legado de lo visto en la primera parte de la tesis. Al igual que antes, este algoritmo se basa en la parametrización de los ciclos de la marcha, para su posterior utilización y emplea algoritmos basado en machine learning. A diferencia del uso de señales temporales, al parametrizar los ciclos, se pueden generar datos espurios. Para eliminar estos datos, el conjunto de datos se somete a una fase de preparación (limpieza y escalado). Una vez que se ha obtenido un conjunto de datos preparado, este se divide en dos, una parte se usa para entrenar los algoritmos, los cuales se emplean para clasificar las muestras restantes. Los resultados de estos experimentos validan la viabilidad de este algoritmo para la detección de patologías. A continuación, se realizan diferentes experimentos con el objetivo de reducir la cantidad de información necesaria para identificar una patología, sin perjudicar a la precisión. Resultado de estos experimentos, se puede concluir que es viable detectar patologías empleando únicamente 2 sensores colocados en una pierna. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: María del Carmen Sánchez Ávila.- Secretario: Mariano López García.- Vocal: Richard Matthew Guest

Mención Internacional en el título de doctor Advances in bioinspired and biomimetic electronics have enabled coupling engineering devices to biological systems with unprecedented integration levels. Major efforts, however, have been devoted to interface malleable electronic devices externally to the organs and tissues. A promising alternative is embedding electronics into living tissues/organs or, turning the concept inside out, lading electronic devices with soft living matters which may accomplish remote monitoring and control of tissue’s functions from within. This endeavor may unleash the ability to engineer “living electronics” for regenerative medicine and biomedical applications. In this context, it remains a challenge to insert electronic devices efficiently with living cells in a way that there are minimal adverse reactions in the biological host while the electronics maintaining the engineered functionalities. In addition, investigating in real-time and with minimal invasion the long-term responses of biological systems that are brought in contact with such bioelectronic devices is desirable. In this work we introduce the development (design, fabrication and characterization) and validation of sensors and actuators mechanically soft and compliant to cells able to properly operate embedded into a cell culture environment, specifically of a cell line of human epithelial keratinocytes. For the development of the sensors we propose moving from conventional microtechnology approaches to techniques compatible with bioprinting in a way to support the eventual fabrication of tissues and electronic sensors in a single hybrid plataform simultaneously. For the actuators we explore the use of electroactive, organic, printing-compatible polymers to induce cellular responses as a drug-free alternative to the classic chemical route in a way to gain eventual control of biological behaviors electronically. In particular, the presented work introduces inkjet-printed interdigitated electrodes to monitor label-freely and non-invasively cellular migration, proliferation and cell-sensor adhesions of epidermal cells (HaCaT cells) using impedance spectroscopy and the effects of (dynamic) mechanical stimulation on proliferation, migration and morphology of keratinocytes by varying the magnitude, frequency and duration of mechanical stimuli exploiting the developed biocompatible actuator. The results of this thesis contribute to the envision of three-dimensional laboratory-growth tissues with built-in electronics, paving exciting avenues towards the idea of living smart cyborg-skin substitutes. En los útimos años los avances en el desarrollo de dispositivos electrónicos diseñados imitando las propiedades de sistemas vivos han logrado acoplar sistemas electrónicos y órganos/tejidos biológicos con un nivel de integración sin precedentes. Convencionalmente, la forma en que estos sistemas bioelectrónicos son integrados con órganos o tejidos ha sido a través del contacto superficial entre ambos sistemas, es decir acoplando la electrónica externamente al tejido. Lamentablemente estas aproximaciones no contemplan escenarios donde ha habido una pérdida o daño del tejido con el cual interactuar, como es el caso de daños en la piel debido a quemaduras, úlceras u otras lesiones genéticas o producidas. Una alternativa prometedora para ingeniería de tejidos y medicina regenerativa, y en particular para implantes de piel, es embeber la electrónica dentro del tejido, o presentado de otra manera, cargar el sistema electrónico con células vivas y tejidos fabricados por ingeniería de tejidos como parte innata del propio dispositivo. Este concepto permitiría no solo una monitorización remota y un control basado en señalizaciones eléctricas (sin químicos) de tejidos biológicos fabricados mediante técnicas de bioingeniería desde dentro del propio tejido, sino también la fabricación de una “electrónica viva”, biológica y eléctricamente funcional. En este contexto, es un desafío insertar de manera eficiente dispositivos electrónicos con células vivas sin desencadenar reacciones adversas en el sistema biológico receptor ni en el sistema electrónico diseñado. Además, es deseable monitorizar en tiempo real y de manera mínimamente invasiva las respuestas de dichos sistemas biológicos que se han añadido a tales dispositivos bioelectrónicos. En este trabajo presentamos el desarrollo (diseño, fabricación y caracterización) y validación de sensores y actuadores mecánicamente suaves y compatibles con células capaces de funcionar correctamente dentro de un entorno de cultivo celular, específicamente de una línea celular de células epiteliales humanas. Para el desarrollo de los sensores hemos propuesto utilizar técnicas compatibles con la bioimpresión, alejándonos de la micro fabricación tradicionalmente usada para la manufactura de sensores electrónicos, con el objetivo a largo plazo de promover la fabricación de los tejidos y los sensores electrónicos simultáneamente en un mismo sistema de impresión híbrido. Para el desarrollo de los actuadores hemos explorado el uso de polímeros electroactivos y compatibles con impresión y hemos investigado el efecto de estímulos mecánicos dinámicos en respuestas celulares con el objetivo a largo plazo de autoinducir comportamientos biológicos controlados de forma electrónica. En concreto, este trabajo presenta sensores basados en electrodos interdigitados impresos por inyección de tinta para monitorear la migración celular, proliferación y adhesiones célula-sustrato de una línea celular de células epiteliales humanas (HaCaT) en tiempo real y de manera no invasiva mediante espectroscopía de impedancia. Por otro lado, este trabajo presenta actuadores biocompatibles basados en el polímero piezoeléctrico fluoruro de poli vinilideno y ha investigado los efectos de estimular mecánicamente células epiteliales en relación con la proliferación, migración y morfología celular mediante variaciones dinámicas de la magnitud, frecuencia y duración de estímulos mecánicos explotando el actuador biocompatible propuesto. Ambos sistemas presentados como resultado de esta tesis doctoral contribuyen al desarrollo de tejidos 3D con electrónica incorporada, promoviendo una investigación hacia la fabricación de sustitutos equivalentes de piel mitad orgánica mitad electrónica como tejidos funcionales biónicos inteligentes. The main works presented in this thesis have been conducted in the facilities of the Universidad Carlos III de Madrid with support from the program Formación del Profesorado Universitario FPU015/06208 granted by Spanish Ministry of Education, Culture and Sports. Some of the work has been also developed in the facilities of the Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) and University of Applied Sciences (HTW) in Berlin, under the supervision of Prof. Dr. Ing. H-D. Ngo during a research visit funded by the Mobility Fellows Program by the Spanish Ministry of Education, Culture, and Sports. This work has been developed in the framework of the projects BIOPIELTEC-CM (P2018/BAA-4480), funded by Comunidad de Madrid, and PARAQUA (TEC2017-86271-R) funded by Ministerio de Ciencia e Innovación. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: José Antonio García Souto.- Secretario: Carlos Elvira Pujalte.- Vocal: María Dimaki

The scope of this doctoral thesis is within the development of advanced wireless communication links operating in the millimetre-wave frequency range, contributing in the development of key requirements, on one hand enhancing the radiated power and enabling the steering of the radiated power. This thesis presents a photonic-based approach to support high data rates and meet the requirements that are expected for next generation systems, defined for beyond 5G (also known as 6G), highly mobile steerable devices. We present advances in the design and optimization of planar antennas on low-cost laminates integrating high-speed photodiodes in hybrid fashion. We present technique for opto-electronic integration with purpose of maximising the power transfer from photodiodes to the antenna. Both the utilise uni-travelling carrier photodiode (UTC-PD) and p-i-n photodiode (PIN-PD) are utilised for this purpose. With the successful demonstration of single-element UTC-PD and PIN-PD emitters, we conduct further research to realise integrated emitter arrays. In this respect, a photonic-integrated emitter with planar phased array antennas is developed using UTC-PDs, providing radiated mm-Wave power of up to -2 dBm. We experimentally demonstrate the photonics-enabled beamsteering over a frequency range of 60 GHz to 70 GHz, with a beam scanning range of 30°. Moreover, using the phased array module, the wireless data transmission is also achieved together while performing beamsteering. As a result, this is the first of its kind system demonstration employing integrated photonic emitter, forming the basis for large-scale integrated antenna arrays for 5G systems. Additionally, we also demonstrate photonics-based terahertz source working in the J-band (220 – 325 GH) frequency. Two modules are developed by integrating a high-speed InGaAs/InGaAsP PIN photodiode in a WR-03 rectangular waveguide WR-3 package for photonic to terahertz conversion. The first device performs direct photonic to THz conversion, providing an output power of -14.4 dBm (36.3 μW). The second device, is based on a hybrid photonic-electronic technique. By photonic-electronic co-integration, the PIN-PD is coupled to a frequency multiplier chip in a single package, providing the photonic generation and frequency multiplication in the same device. To the best of our knowledge, this is the first realisation of WR-03-integrated emitter based on a PIN photodiode. Finally, thesis presents the design of ultra-wideband detectors based on Schottky barrier diodes assembled in quasi-optic package. The primary goal is to propose a design for the receivers with large baseband bandwidth, capable of operating across frequency bands in mm-Wave and THz range. A record baseband of 25 GHz is achieved using custom-built detectors. For the proof of concept, experiments are conducted using the custom-built devices capable of transmitting more than 12.5 Gbps of data signals on carrier from mm-Wave to sub-THz. I am grateful for the funding by European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme under the Marie Sklodowska Curie project FiWiN5G, with grant number 642355. I also acknowledge the financial support from European Action COST EUIMWP CA16220. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Andreas Stöhr.- Secretario: Horacio Lamela Rivera.- Vocal: Ho-Jin Song

Mención Internacional en el título de doctor Millimeter-wave and THz spectroscopy is nowadays a huge research field largely focused on the development of new and improved instruments and techniques for practical applications such as medical diagnostics, security screenings, and industrial control processes; mainly due to its non-invasive and remote scope for matter elucidation and characterization. Such instruments are based on spectroscopic techniques that, broadly speaking, irradiate a target sample using electromagnetic radiation at different frequencies (wavelengths) to measure its optical properties as frequency-dependent functions. Thus, the use of spectroscopic techniques leads to the acquisition of spectral data containing the information about the interaction between the sample under evaluation and the applied electromagnetic radiation. In this situation, the processing and analysis of the spectral data are important tasks when developing new instruments based on spectroscopic techniques (applied spectroscopy systems), and one of the most challenging scenarios appears in applications in which the sample includes multiple species with very similar optical properties, as often happens in biomedical applications. Consequently, statistical methods are required, not only to extract the desired information from the spectral data, but also as part of the calibration process of the technique/instrument. In this doctoral thesis, a novel non-invasive approach using mm-wave spectroscopy for in-vivo detection and monitoring of sustained hyperglycemia, typically associated with Diabetes Mellitus (DM), is evaluated through several experimental tests including the use of animal models and a pilot clinical study on humans (Type 1 DM patients). The experimental tests were carried out using a W-band spectrometer built specifically for this study, capable of acquiring the reflection and transmission spectra from in-vivo and non-invasive measurements performed on the animals and humans. The spectral data collected from these tests have been processed and analyzed using Functional Data Analysis (FDA) methods due to their suitability for the abovementioned challenging spectroscopic scenarios in the framework of biomedical applications. FDA techniques have allowed us to study the spectral response measured within the W-band in unsupervised and supervised settings, providing an interpretation of the different interrogation frequencies contribution at all the analysis stages, even for a longitudinal analysis performed on spectral data collected at different times during the pilot clinical study with type 1 DM patients. It is important to note that in the conception of the diagnostic we have used a non-targeted spectral profiling approach that allowed us to consider collectively the spectral features of all the sample constituents (avoiding the necessity of individual metabolites identification) thus providing with a wider perspective about the applicability of the proposed spectroscopic technique for in-vivo sensing of hyperglycemia. The experimental results of this thesis demonstrate that simple transmission-type spectrometers in the W-band in combination with the right statistical analysis tools show great potential for the further development of a non-invasive diagnostic tool for in-vivo sensing of sustained glycemia in humans. This would mean a clear breakthrough in Diabetes Mellitus diagnostic and management as it could substitute the current standard tool in medical practice for DM diagnosis and monitoring, as it is the invasive HbA1c test. Hoy en día, la espectroscopia de ondas milimétricas y THz comprenden un gran campo de investigación que se enfoca en gran parte al desarrollo de técnicas e instrumentos nuevos y mejorados en aplicaciones prácticas, tales como: diagnósticos médicos, controles de seguridad y el control de procesos industriales; esto se debe principalmente a su alcance para elucidar y caracterizar la materia de forma remota y no invasiva. Dichos instrumentos se basan en técnicas espectroscópicas que, en términos generales, irradian una muestra objetivo utilizando radiación electromagnética a diferentes frecuencias (longitudes de onda), para medir sus propiedades ópticas en función de las frecuencias utilizadas. Siendo ésta la razón por la que el uso de técnicas espectroscópicas resulta en la adquisición de datos espectrales, los cuales contienen la información sobre la interacción entre la muestra evaluada y la radiación electromagnética aplicada. En esta situación, el procesamiento y análisis de los datos espectrales son tareas importantes a la hora de desarrollar nuevos instrumentos basados en técnicas espectroscópicas (sistemas de espectroscopía aplicada), y uno de los escenarios más desafiantes se encuentra en aplicaciones donde la muestra incluye múltiples especies con propiedades ópticas muy similares entre sí, como suele ocurrir en las aplicaciones biomédicas. En consecuencia, se requieren métodos estadísticos, no solo para extraer la información deseada de los datos espectrales, sino también como parte del proceso de calibración de la técnica o el instrumento. En esta tesis doctoral, se evalúa un enfoque novedoso que utiliza espectroscopía de ondas milimétricas para la detección y monitorización in vivo y de forma no invasiva de la hiperglucemia sostenida, típicamente asociada a la Diabetes Mellitus (DM), en donde se incluyen varias pruebas experimentales realizadas con modelos animales y un estudio clínico piloto en los seres humanos (pacientes con DM tipo 1). Las pruebas experimentales se realizaron mediante un espectrómetro de banda W que se construyó específicamente para esta investigación, capaz de adquirir los espectros de reflexión y transmisión a partir de las mediciones in vivo y no invasivas realizadas sobre las muestras biológicas. Todos los datos espectrales obtenidos durante estas pruebas, fueron procesados y analizados utilizando métodos de Análisis de Datos Funcionales (ADF) debido a su idoneidad para abordar los escenarios espectroscópicos complejos que se encuentran muy comúnmente en el marco de aplicaciones biomédicas. Las técnicas del ADF nos permitieron estudiar la respuesta espectral medida en la banda W bajo los entornos de aprendizaje supervisado y no supervisado, proporcionando una interpretación de la contribución de las frecuencias medidas en todas las etapas del análisis, incluso para un análisis longitudinal realizado con datos espectrales que fueron observados a diferentes tiempos durante el estudio clínico piloto con pacientes de DM tipo 1. También es importante señalar que referente a la concepción de los diagnósticos presentados, se utilizó un enfoque de perfilamiento espectral no específico, el cual nos permitió considerar de forma colectiva las características espectrales de todos los constituyentes de la muestra (sin tener que identificar metabolitos individualmente). Además, este enfoque nos proporcionó una perspectiva más amplia a la hora de estudiar la aplicabilidad de la técnica espectroscópica propuesta para la detección in vivo de hiperglucemia. Los resultados experimentales obtenidos en esta tesis, demuestran que un simple espectrómetro capaz de medir la transmitancia de la muestra biológica en la banda W, combinado con las herramientas de análisis estadístico adecuadas, proporciona un enfoque potencial para el desarrollo de una herramienta de diagnóstico no invasiva enfocada a la detección in vivo de la glucemia sostenida en humanos. Esto significaría un claro avance en el manejo y en el diagnóstico de la diabetes, ya que podría sustituir la prueba invasiva de HbA1c, que es la herramienta estándar utilizada actualmente en la práctica médica para el diagnóstico y seguimiento de la Diabetes. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Marta Ruiz Llata.- Secretario: Ana María Aguilera del Pino.- Vocal: Peter Haring-Bolivar

Los sensores CMOS fueron introducidos en el mercado en 1995 y desde entonces han ido quitando cuota de mercado a los sensores CCD. En aplicaciones espaciales la práctica común era la utilización de grandes sensores CCD con alta sensibilidad y bajo ruido. Los nuevos sensores CMOS consiguen solucionar los problemas de sensibilidad y ruido de sus antecesores y aportan nuevas ventajas como el bajo coste, la fácil fabricación y un tamaño reducido. En este trabajo se pretende la utilización de un sensor CMOS para aplicaciones en el espacio, concretamente observación terrestre. Este sensor no ha sido usado anteriormente en espacio y se utiliza normalmente en transporte terrestre. Se ha partido de un desarrollo anterior que presentaba problemas de envío y de guardado, y se han aumentado las capacidades de configuración del sensor. También se ha mejorado la interfaz gráfica de usuario a una que permita la configuración y la visualización de las capturas realizadas. En conclusión, se ha conseguido mejorar la comunicación y el guardado, facilitando al operario la adquisición de nuevas capturas y su visionado. Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

Mención Internacional en el título de doctor Nowadays the detection of hazardous, toxic and pollutant substances, is of great value due to the impact on human health, environment, and industrial processes. The most common techniques which are used for gaseous compounds detection are based on the absorption of the molecules through architectures based on optical spectroscopy, which investigates the change in intensity of a beam emitted by an optical source at a given wavelength when the beam passes through a specific medium. These changes are analyzed using techniques that allow abstracting directly or indirectly changes generated at the light beam or fluctuations produced by the medium. These architectures are well known for their potential related to the high sensitivity, reliability, portability and versatility and fast measurements. It is implemented in a wide range of the electromagnetic spectrum due to the use of different optic sources. Taking into account the molecular spectral features known as the absorption spectrum, it is possible to use spectroscopy techniques. The architectures of these techniques can be divided into three parts well-differentiated of great importance for the systems. The first of which is the optical sources must be tuned to a specific wavelength which is related to an absorption line of the medium which is being proved. The second one is the compound under test and its confinement. Finally, the detection methods and their analysis of received signals. For that reason, this doctoral thesis begins with the studies of the spectroscopy systems, where are underscore different sources used in a wide range of the electromagnetic spectrum. They are narrow spectrum optical sources such as semiconductor lasers in the near-infrared spectrum, quantum cascade laser emitting in the mid-infrared, besides is a described a width spectrum source based on optical multimode sources. Also, it is all described the most relevant spectroscopy techniques such as tunable diode laser absorption spectroscopy, wavelength modulation spectroscopy and photoacoustic spectroscopy (PAS). Starting with this revision of the state of the art, in this thesis investigates different absorption spectroscopy techniques and it is focused on the study of the photoacoustic spectroscopy to explore new possibilities and demonstrate its potential, through contributions in the electromagnetic spectrum which is most important in spectroscopy terms, i.e. near and mid-infrared, by investigating new sensors for the acoustic signal detection that improve the system performance. Besides, the area of applications is extended by using width spectrum optical sources based on the generation of optical frequency combs for the detection and characterization of the compounds. PAS is a technique based on the indirect absorption due to the thermoacoustic effect which generates the interaction of a modulated and tuned light beam with the same wavelength as the absorption line of the illuminated composed. That interaction produces periodic molecules heating, which is translated in vibrations and the generation of an acoustic wave, that can be detected through sound sensors or ultrasound. The acoustic wave intensity is directly proportional to the gas concentration which is being studied. The concentration can be known through the detection and quantification of the acoustic wave. Another particular feature of the spectroscopy is the role that plays the confinement medium at the generation at the acoustic wave, because the cavity or container cell which works as a resonant element and it allows to amplify the generated acoustic wave, if the modulation frequency from the optical signal corresponds with any cavity resonant mode. Therefore, this PhD thesis aims are to research and study the confinement medium, especially the cylindrical resonant cavities and other kinds of acoustic resonators. The purpose of this procedure is to design in an efficient and fast way that contributes to increasing the sensitivity reducing the amount of the sample, implementation time, cost and allowing the detection of corrosive substances. The different PAS systems used are also described and the two main phenomena involved in the generation of the photoacoustic effect are detailed in Annex B to this thesis. The contributions shown in this thesis describes the main parts of the implemented architecture and where it is detailed and characterized the used optical source and it is identified the line absorption sample which is being tested through the use of simulation tools and the HITRAN database and its measurement. Then a detailed study was done for the contributions made, where different parts of the system are described, designed and manufactured to improve its performance and finally the results of the validations of these are represented through experimental measurements. This allows determining the values of the figures of merit usually used to compare and evaluate the performance of the systems, such as the detection limit, the sensitivity, and the normalized noise absorption coefficient. The first contribution of this thesis explores an application of the PAS technique at the most important electromagnetic spectrum area for the detection of gas molecules, such as the mid-infrared, since in that area found the main rotational-vibrational frequencies. It means the molecules strongest absorption lines. That’s why and following the previous methodology mentioned a quantum cascade laser is used. It has been previously characterized for a chemistry and physic research group at Vienna University of Technology (where I made an internship) and was tuned to an absorption line, which has been identified employing simulation and measurement. Later, a detailed study of the resonant cells is made based on the excitation of the resonant modes of the cylindrical cavities that allow being in the bandwidth of the electrical microphone used for the detection. Once the most important parameters and methodologies to improve the response of the resonant cell are described, a study of suitable materials for their manufacture in the 3D printer is proposed, taking into account the kind of compound and also its physical-chemical properties. Finally, validation is carried out using a PAS architecture with wavelength modulation and second harmonic detection, for hydrogen sulfide detection. It allows getting outstanding performance related to the detection limited and its parameters such as the normalized noise absorption coefficient. Following the PAS architecture field of research, another proposed contribution is that of a near-infrared PAS system and acoustic waves detection through the second harmonic with wavelength modulation and an optical microphone which improves the sensitivity of the system, the bandwidth and the field of application. The optical microphone was based on a thin polymer diaphragm located in the middle of the resonator which works as an acoustic transducer whose displacement is measured using a fiber Doppler laser vibrometer (FLDV), which is not limited to acoustic frequencies. A thin film of polytetrafluorethylene (PTFE) also known as Teflon was used for the diaphragm, due to its physical, mechanical and chemical properties. That’s why, first the optical detector parts were studied and research but emphasizing in its two main parts, the membrane, and the optical reader. Later, the optical source is characterized. It is consisting of a laser diode with distributed feedback that emitted at 1530 nm. As a study gas was used ammonia since its relatively low toxicity and through simulation tools and HITRAN database the absorption line in the region of the spectrum of interest was identified. For the right characterization, design, validation, and implementation of the architecture in the UC3M lab, it was necessary to have a controlled environment for the measurement of gas samples. For this reason, a mixing gas system was designed and It allows to handle the necessary gas concentration. To test the sensor detection limit, different ammonia concentration levels were prepared which allowed obtaining a minimum detection limit in the order of parts-per-million. Finally, this PhD thesis investigates the use of multimodal sources based on optical frequency combs, in conjunction with dual-comb detection frequency (Dual- OFC or dual-comb) and to extend its application range. Taking into account the work developed at the research group, a DUAL-OFC kind optical source was used and characterized. It was generated by a DFB laser diode anwith electro-optical elements. This type of implementation offers considerable advantages, highlighting increased power of each spectral component, less intricacy, and cost. At the same time, it allows getting OFC with relatively flat spectra with a moderate number of modes and an easily adjusted spacing among modes. It’s an outstanding advantage for the application described in this thesis. The detection is performed employing a Dual-OFC, which consists of the mapping of the modes of two OFCs with slightly different repetition frequencies from the optical to the radiofrequency (RF) domain, in this way, each of the optical modes is individually mapped in the RF domain. The spectroscopy interest at the OFC sources it is due to the coverage of a relatively wide-spectrum. It is suitable for the complex molecule’s detection, and also for the detection of substances in liquid and solid state, characterized for expanded absorption spectrum, so they don’t have well-defined absorption lines as in the case of simple molecules, such as ammonia or hydrogen sulfide. Furthermore, in combination with the Dual-OFC detection technique, it allows detecting that spectrum disregarding of mobile or dispersive elements at the detection, simplifying the optomechanical part of the system, which is beneficial for the design of applications that have to operate outside a laboratory. In this PhD thesis, the benefits of the wide-spectrum optical sources using OfC’s are validated in a spectroscopy versatile system. It is used to measure thickness in the millimeter range of transparent materials by measuring its transmission spectrum (etalon effect). To conclude, the work of this thesis has been published in three scientific articles in recognized research journals and outstanding in this area. The first article was published in 2017 at “journal of selected topic in Quantum electronic IEEE”, titled “High resolution optical thickness measurement based on electrooptic dual-optical frequency comb sources”, where it is highlighted the implementation of one application with a multimode source using a dual-comb electro-optical for thickness measurement. The other two scientific papers were published in 2019. One was the result at the internship at Vienna University of Technology, the article was “Hydrogen Sulphide Detection in the Midinfrared Using a 3D-Printed Resonant Gas Cell” in at the “Journals of Sensors”, focused on the study and design of a resonant photoacoustic cell for detection hazardous compounds and the last article titled “Sub-ppm-Level Ammonia Detection Using Photoacoustic Spectroscopy with an Optical Microphone Based on a Phase Interferometer” published at “Sensors” magazine, focused on the design of an optical microphone for photoacoustics. The contents of those publications detailed in chapters III, IV y V at the PhD thesis. These works were complemented with contributions to conferences such as: “Comparison of Photoacoustic andd an architecture Wavelength Modulation Spectroscopy in a 3D-printed resonant gas cell” (IEEE SENSORS- 2017), The “Diseño e Implementación de un Sistema de Mezclado de Gases para el Estudio de Técnicas de Espectroscopia” (SAAEI-2018), y "Photoacoustic Gas Detection with Electronic and Optical Microphones" (Optical Sensors and Sensing Congress), which are partially or totally included in this thesis. In addition as complementary to the contributions submitted in this thesis, the acquired experience has given other scientific contributions. It is outstanding one research published as a PTC Technology Notebook on "Optical Sensors for Local and Distributed Monitoring of Pollutants Associated with Vehicle Traffic". Also, contributions have been given using spectroscopy techniques for road monitoring which has been published at IEEE sensors congress in 2017, The Latin America Optics & Photonics Conference (LAOP) of OSA in 2016, and participation in the preparation of a European patent which is currently being evaluated. Finally, it is outstanding the experimental development of heterodyne radiometry method based on modulated laser “Wavelength modulation laser heterodyne radiometry” published in 2019 in– “Optics Letters”. La detección de sustancias peligrosas, tóxicas y contaminantes es de gran interés en la actualidad debido al impacto que tienen estas para la salud humana, el medio ambiente y los procesos industriales. Las técnicas comúnmente utilizadas en la detección de compuestos gaseosos, se basan en la característica de absorción de las moléculas mediante arquitecturas basadas en espectroscopia óptica, donde se investiga el cambio de intensidad que sufre un haz emitido por una fuente óptica a una determinada longitud de onda al incidir en un medio específico, estos cambios son analizados mediante técnicas que permiten abstraer de forma directa o indirecta cambios generados en el haz recibido o variaciones sufridas por el medio. Estas arquitecturas son reconocidas por su potencial en referencia a la alta sensibilidad, confiabilidad, versatilidad, portabilidad, rapidez en la medida, y por ser implementadas en un amplio rango del espectro electromagnético, gracias al uso de diferentes fuentes ópticas. Teniendo en cuenta las características espectrales de las moléculas conocido como el espectro de absorción, es posible el uso de técnicas de espectroscopia. Las arquitecturas de estas técnicas pueden ser divididas en tres partes bien diferenciadas y de suma importancia para los sistemas, las cuales son las fuentes ópticas que deben ser sintonizadas a una longitud de onda específica, que corresponda con una línea de absorción del medio en prueba, el segundo es el compuesto en prueba y su entorno de confinamiento, y finalmente los métodos de detección y de análisis de las señales recibidas. Por tal razón, en esta tesis se empieza con un estudio de estas partes de los sistemas de espectroscopia, donde se destacan las diferentes fuentes utilizadas en un amplio rango del espectro electromagnético, como son las fuentes ópticas de espectro angosto como láseres de semiconductor en el infrarrojo cercano y los láseres de cascada cuántica emitiendo en el infrarrojo medio, a su vez se describe una fuente de espectro ancho basada en fuente ópticas multimodo. También, son descritas las principales técnicas de espectroscopia como es la espectroscopia de absorción láser de diodo sintonizable, la espectroscopia por modulación de longitud de onda y la espectroscopia fotoacústica (PAS). Partiendo de esta revisión del estado del arte, en esta tesis se investigan diferentes técnicas de espectroscopia de absorción y se centra en el estudio de la espectroscopia fotoacústica para explorar nuevas posibilidades y demostrar el potencial de la misma a través de contribuciones en el espectro electromagnético con más relevancia en términos espectroscópicos, es decir, infrarrojo cercano e infrarrojo medio y mediante la investigación de nuevos sensores para la detección de la señal acústica que mejoren las prestaciones del sistema. A su vez, se amplía el área de aplicaciones mediante el uso de fuentes ópticas de espectro ancho basadas en la generación de peines de frecuencias ópticos para la detección y caracterización de compuestos. PAS es una técnica basada en la medición indirecta de la absorción, debido al efecto termoacústico que genera la interacción de un haz de luz modulado y sintonizado a una longitud de onda igual a la de una línea de absorción del compuesto iluminado. Esta interacción, genera un calentamiento periódico en las moléculas, lo que se traduce en vibraciones y en la generación de una onda acústica, que puede ser detectada por medio de sensores de sonido o ultrasonido. La intensidad de la onda acústica es directamente proporcional a la concentración del gas en estudio, lo que nos permite conocer la misma mediante la detección y cuantificación de la onda acústica. Otra característica particular de la espectroscopia fotoacústica, es el papel que juega el medio de confinamiento en la generación de la onda acústica, debido a que la cavidad o celda contenedora se puede comportar como un elemento resonante, lo cual permite amplificar la onda acústica generada, si la frecuencia de modulación de la señal óptica corresponde con algún modo de resonancia de la cavidad. Por tal razón en el entorno de esta tesis se ha estudiado e investigado el medio de confinamiento, en especial las cavidades resonantes cilíndricas y otros tipos de resonadores acústicos con el objetivo de diseñar de forma rápida y eficiente celdas resonantes que contribuya a aumentar la sensibilidad, reducir el volumen de la muestra, el tiempo de implementación, costes y que permitan la detección de sustancias corrosivas. También se describen los diferentes sistemas PAS utilizados y los dos principales fenómenos que intervienen en la generación del efecto fotoacústico en el anexo de esta tesis. Las contribuciones presentadas en esta tesis describen las principales partes de las arquitecturas implementados, donde se detalla y caracteriza la fuente óptica utilizada, se identifica la línea de absorción de la muestra en prueba por medio del uso de herramientas de simulación y la base de datos HITRAN y la medición de la misma. Luego se hace un estudio detallado de las aportaciones realizadas, donde se describe, diseña, y fabrica diferentes partes del sistema que mejoran las prestaciones del mismo y finalmente son representados los resultados de las validaciones de los mismos por medio de medidas experimentales. Esto permite determinar los valores de las figuras de mérito habitualmente utilizadas para comparar y evaluar el rendimiento de los sistemas, como son el límite de detección, la sensibilidad y el coeficiente de absorción de ruido normalizado. La primera contribución de esta tesis explora una aplicación de la técnica PAS en la región del espectro electromagnético más importante para la detección de moléculas gaseosas como lo es el infrarrojo medio, debido a que en esta región se encuentra las frecuencias rota-vibracionales principales, es decir, las líneas de absorción más fuertes de las moléculas. Por tal razón y siguiendo la metodología anteriormente mencionada, se utiliza un láser de cascada cuántica, el cual había sido previamente caracterizado por el grupo de investigación del Instituto de Tecnologías Químicas y Análisis de la Universidad Técnica de Viena (donde se realizó una estancia) y se sintoniza en una línea de absorción, la cual había sido identificada por medio de simulación y medida. Posteriormente se hace un estudio detallado de las celdas resonantes basadas en la excitación de los modos resonantes de las cavidades cilíndricas que permitan estar en el ancho de banda del micrófono eléctrico utilizado para la detección, donde una vez descritos los parámetros más importantes y metodologías para mejorar la respuesta de la celda resonante, se plantea un estudio de materiales idóneos para su fabricación en impresora 3D, teniendo en cuenta el tipo de compuesto y las propiedades físico-químicas de los mismos. Finalmente, se realiza una validación mediante una arquitectura PAS con modulación de longitud de onda y detección del segundo armónico, para la detección de sulfuro de hidrogeno, la cual permitió obtener excelentes prestaciones en relación a límite de detección y parámetros como el coeficiente de absorción de ruido normalizado. Siguiendo el campo de investigación de arquitecturas PAS, otra contribución propuesta, es la de un sistema PAS con espectroscopia en el infrarrojo cercano y la detección de la onda acústica por medio del segundo armónico con modulación de longitud de onda mediante un micrófono óptico, que mejora la sensibilidad del sistema, el ancho de banda y el campo de aplicación. El micrófono óptico se basó en un diafragma de polímero delgado colocado en el centro del resonador que actúa como un transductor acústico cuyo desplazamiento se mide utilizando un vibrómetro láser doppler de fibra (FLDV) por su sigla en inglés, el cual no está limitado a frecuencias acústicas. Como diafragma se utilizó una película delgada de politetrafluoroetileno (PTFE), también conocido como teflón, debido a sus propiedades físicas, mecánicas y químicas. Por tal razón, en primera estancia se investiga y estudia las partes del detector óptico, haciendo énfasis en las dos partes, la membrana y la lectura óptica. Posteriormente es caracterizada la fuente óptica, la cual consistía en un diodo láser con realimentación distribuida que emitía a 1530 nm. Como gas de estudio fue utilizado el amoniaco debido a su relativamente baja toxicidad, y mediante el uso de herramientas de simulación y de la base de datos del HITRAN fue identificada la línea de absorción en la región del espectro del interés. Para una correcta caracterización, diseño, validación e implementación de la arquitectura en los laboratorios de la UC3M, fue necesario la disposición de un entorno controlado para la medición de las muestras gaseosas, por tal razón se diseñó un sistema de mezclado de gases que permita manipular la concentración del gas de interés. Para la evaluación del límite de detección del sensor, se prepararon diferentes niveles de concentración de amoniaco, lo cual permitió obtener un límite de detección mínimo en el orden de las partes por millón. Finalmente esta tesis indaga sobre el uso de fuentes multimodo basadas en peines de frecuencia óptica, en conjunto con detección de doble peine de frecuencia (Dual-OFC, o también conocido como dual-comb) y en ampliar su rango de aplicación. Teniendo en cuenta los trabajos desarrollados en el grupo de investigación, se utilizó y caracterizó una fuente óptica de tipo Dual-OFC generada mediante un diodo láser DFB y una arquitectura con elementos electro-ópticos. Este tipo de implementación ofrece ventajas considerables, destacando una mayor potencia de cada componente espectral, menor complejidad y costo. A su vez, permiten obtener OFC con espectros relativamente planos con un número moderado de modos, y un espaciado entre modos fácilmente ajustable, cualidad destacada para la aplicación descrita en esta tesis doctoral. La detección se realiza mediante un Dual-OFC, el cual consiste en el mapeo de los modos de dos OFC con frecuencias de repetición ligeramente diferentes desde el dominio óptico al dominio de radiofrecuencia (RF), de esta manera, cada uno de los modos ópticos se mapea individualmente en el dominio de RF. El interés en espectroscopia de las fuentes OFC se debe a que cubren un espectro relativamente ancho, adecuado para la detección de moléculas complejas y también para la detección de sustancias en estado líquido o sólido, caracterizadas por espectros de absorción expandidos y para las cuales no existen líneas de absorción bien definidas como en el caso de moléculas sencillas, como el amoniaco o el sulfuro de hidrógeno. Además, en combinación con la técnica de detección Dual-OFC permiten detectar dicho espectro prescindiendo de elementos móviles o dispersivos en detección, simplificando la parte optomecánica del sistema lo cual es beneficioso de cara al diseño de aplicaciones que han de operar fuera de un entorno de laboratorio. En esta tesis doctoral, las virtudes de las fuentes ópticas de espectro ancho mediante OFCs son validadas en un sistema espectroscópico versátil utilizado para la medición de espesores en el rango de los milímetros de materiales transparentes mediante la medición de su espectro de transmisión (efecto etalón). Para concluir, el trabajo de esta tesis se ha publicado en tres artículos científicos en revistas reconocidas en el entorno de la investigación y destacadas en esta área. El primer artículo fue publicado en el 2017 en la “Journal of Selected Topics in Quantum electronics - IEEE”, titulado “High resolution optical thickness measurement based on electro-optic dual-optical frequency comb sources”, donde se destaca la implementación de una aplicación mediante el uso de una fuente multimodo usando un dual-comb electrectro-optico para la medición de espesores. Los otros dos artículos científicos fueron publicados en el 2019, uno como resultado de la estancia realizada en la Universidad técnica de Viena titulado “Hydrogen Sulfide Detection in the Midinfrared Using a 3D-Printed Resonant Gas Cell” en el “Journals of Sensors”, centrado en el estudio y diseño de una celda resonante para la detección fotoacústica de compuestos tóxicos y el último artículo titulado “Sub-ppm-Level Ammonia Detection Using Photoacoustic Spectroscopy with an Optical Microphone Based on a Phase Interferometer” publicado en la revista “Sensors”, centrado en el diseño de un micrófono óptico para fotoacústica. Los contenidos de estas publicaciones son detallados en los capítulos 3, 4 y 5 del documento de tesis doctoral. Estos trabajos se complementan con las contribuciones a congresos como: “Comparison of Photoacoustic and Wavelength Modulation Spectroscopy in a 3D-printed resonant gas cell” (IEEE SENSORS- 2017), el “Diseño e Implementación de un Sistema de Mezclado de Gases para el Estudio de Técnicas de Espectroscopia” (SAAEI-2018), y "Photoacoustic Gas Detection with Electronic and Optical Microphones," (Optical Sensors and Sensing Congress) las cuales están incluidos parcialmente o totalmente en esta tesis. De manera complementaria a las aportaciones sometidas en esta tesis doctoral, la experiencia adquirida ha dado lugar a otras aportaciones científicas. Se destaca un estudio publicado como Cuaderno Tecnológico de la PTC sobre “Sensores ópticos para la monitorización local y distribuida de contaminantes asociados al tráfico de vehículos”. También se han realizado contribuciones utilizando técnicas de espectroscopia para la monitorización de carreteras, que han quedado recogidas en las publicaciones a los congresos IEEE sensors del año 2017, el Latin America Optics & Photonics Conference (LAOP) de OSA en el 2016, y la participación en la preparación de una patente europea que se encuentra en fase de evaluación. Finalmente, se destaca la colaboración en el desarrollo experimental de un método de radiometría heterodina basado en un láser modulado en longitud de onda, trabajo titulado “Wavelength modulation laser heterodyne radiometry” y publicado en el 2019 en–“Optics Letters”). https://doi.org/10.1109/jstqe.2016.2598607 Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Claudio José Otón Nieto.- Secretario: Cristina de Dios Fernández.- Vocal: Vicente Andrés Durán Bosch

Las personas que padecen ceguera nocturna tienen dificultades de movilidad en un recinto con poca luz, como una sala de cine, por no poder ver los obstáculos que tienen a su alrededor. Estos problemas se incrementan después de que la persona haya estado en un ambiente con mucha iluminación. Además, no existen casi ayudas para mejorar la movilidad de estas personas cuando las condiciones de iluminación son bajas, lo que limita considerablemente su independencia. Por ello, este proyecto tiene como objetivo crear una plataforma que permita desarrollar ayudas electrónicas portátiles para mejorar la movilidad en pacientes con ceguera nocturna y que esta ayuda se pueda personalizar y adaptar a los problemas concretos de cada paciente. Se quiere que la ayuda modifique los contrastes de los objetos para lograr su detección y así se mejore la movilidad en entornos poco iluminados. Dado que este proyecto es muy ambicioso, experimentalmente se ha llegado hasta el algoritmo que permite modificar la información recogida de manera que llegue correctamente a los ojos y pueda ser procesada por el cerebro como si fuera una imagen real. También se ha diseñado y desarrollado un primer prototipo de la ayuda, siendo parecida a las gafas de realidad virtual pero adaptadas para personas con ceguera nocturna. People who are night-blind have difficulty moving around in a dimly lit room, such as a movie theatre, because they cannot see the obstacles around them. These problems increase after the person has been in a brightly lit environment. In addition, there are almost no aids to improve the mobility of these people when the lighting conditions are low, which considerably limits their independence. Therefore, this project aims to create a platform that allows the development of portable electronic aids to improve mobility in patients with night blindness and that this aid can be personalized and adapted to the specific problems of each patient. The idea is that the aid should modify the contrasts of the objects to achieve their detection and thus improve mobility in poorly lit environments. Since this project is very ambitious, I have experimentally arrived at the algorithm that allows to modify the information collected so that it reaches the eyes correctly and can be processed by the brain as if it were a real image. A first prototype of the aid has also been designed and developed, being similar to the virtual reality glasses but adapted for people with night blindness. Ingeniería en Tecnologías Industriales

Mención Internacional en el título de doctor Almost since the introduction of smartphones, biometric recognition became the main way to protect them from unwanted use. Biometric recognition provides gives smartphones with a capable security system that is easy to use. This factor is the major key of biometric recognition, it does not require learning or the memorization of codes. Since their introduction, biometric modalities have tried to become ever more usable to become generally more accepted by the general public. So far, two major biometric modalities have managed to establish themselves: fingerprint and facial recognition. However, they are not perfect. Fingerprint and facial recognition succeeded in finding their places in the market because they managed to reduce the interaction with the security system. Smartphone security went from introducing a sequence of numbers to just placing a finger on a sensor or looking into a camera. Yet this interaction can be reduced even further. Instead of the user making an action for the system, the system can record an action that the user does regardless of security system. This means that, when the user is making a natural action such as typing or walking, the system will use that action to recognize them. This thesis is centred around one of such biometric modalities. Gait is defined as the manner of walking unique to each individual. We perform this action every time we move, making it an ideal biometric sample for a no-interaction system. A gait recognition system would record the information from the user while they are walking and use that data to grant or deny access. However, such systems are yet to be implemented for two main reasons: performance and robustness. The accuracy of gait recognition is still far from what can be found on the facial and fingerprint state of the art. Even more worrying is its robustness, as there are several concerns regarding what factors influence our gait. If we walk differently when we change clothes, when we change pace or when we are tired, the information that the system could obtain is unusable for user recognition. This thesis aims to bring this biometric modality one step closer by advancing these two factors. The contributions of this thesis are on the forefront of newer algorithms that advance the capacity of gait recognition and study the variables that may influence our gait. The first major contribution of this thesis is the development of the Manhattan Rotation Algorithm (MRA). The MRA was developed based on the state of the art and the use of distance metrics to compare gait signals. The MRA introduced a new signal segmentation algorithm as well as an optimization of the resources obtained from the raw gait signal. The MRA studied how to divide gait signals to select the most relevant aspects to perform the recognition. This makes the MRA not only a competitive algorithm in terms of accuracy, but it also allows it to be a fast algorithm that requires little hardware to be deployed. This could mean that the MRA could be implemented on a pre-existing smartphone via an app, with no extra hardware required. The second major contribution is the development of a different gait recognition algorithm named Deep Gait Algorithm (DGA). The DGA makes use of deep learning in order to process the input data. This allows for a more detailed view of the signal and a more accurate response. The DGA has shown some of the best accuracy results of the state of the art, showing its value in a commonly used gait recognition benchmark. The DGA may be too complex to be implemented on smartphones nowadays, but with the developments/advancements in IoT and higher-powered smartphones, implementation could become viable soon. The final contribution of this thesis comes in a group of operational evaluations. Several evaluations have been performed, each answering questions that tend to arise when talking about gait recognition. How long do I need to walk? What if someone does not want to be recognized? What if I change shoes? These and more questions have been evaluated and answered. These evaluations are key to determine the theoretical limit of gait recognition and to ascertain what challenges future research will face when trying to develop or implement a gait recognition system. Casi desde que comenzamos a usar “smartphones”, el reconocimiento biométrico se convirtió en la principal manera de proteger nuestros dispositivos frente a posibles ataques, ya que este tipo de reconocimiento es capaz de equilibrar la alta seguridad con un uso sencillo. Este positivo balance es la clave de los sistemas biométricos, pues no requieren aprendizaje o memorización de códigos. Desde su introducción, estos sistemas han intentado incrementar su usabilidad manteniendo su calidad de protección. Hasta el momento, dos modalidades han alcanzado un puesto en el mercado: el reconocimiento por huella dactilar y el reconocimiento facial. Sin embargo, no son perfectas. Los reconocimientos facial y dactilar han alcanzado esta posición porque han conseguido reducir la interacción entre los usuarios y el sistema de control de accesos. La seguridad de los teléfonos móviles pasó de obligar al usuario a introducir una serie de números, a permitirle simplemente colocar un dedo sobre un sensor o mirar a una cámara. Sin embargo, esta interacción se puede reducir aún más. En vez de que el usuario tenga que realizar una acción a través del sistema, este podría capturar acciones que el usuario lleva a cabo de forma natural. Por ejemplo, mientras el usuario usa su teléfono o camina, el sistema debería ser capaz de utilizar estas acciones para reconocerlo. Esta tesis doctoral se centra en este tipo de modalidades biométricas. “Gait” es el término con el que se denomina en inglés a la forma de andar. El gait de cada individuo es único y esto lo convierte en una muestra óptima para un reconocimiento biométrico con una interacción mínima. Un sistema biométrico basado en el gait tomaría muestras del usuario mientras este camina y permitiría o negaría su acceso usando solo esta información. Por desgracia, sistemas de este tipo no han sido implementados por dos razones principales: precisión y robustez. La precisión del reconocimiento por gait está aún lejos de ser comparable con la del reconocimiento facial o por huella dactilar. Más problemática es incluso la robustez, ya que hay varios factores que no se sabe aún si pueden influir o no en nuestra forma de andar. Si modificamos nuestra forma de andar cada vez que cambiamos de ropa, caminamos a mayor velocidad o estamos cansados, la información que obtendría el sistema sería inestable. Esta tesis doctoral intenta que el reconocimiento por gait dé un paso adelante y esté más cerca de ser útil, tratando de mejorar ambos aspectos. Sus contribuciones principales se pueden sintetizar en la introducción de dos nuevos algoritmos para el reconocimiento por gait y en el estudio de los factores que podrían modificar su implementación. La primera contribución es el desarrollo del Manhattan Rotation Algorithm (MRA). El MRA se ha elaborado basándose en el estado del arte y usa algoritmos de distancia para comparar señales de gait. El MRA fue introducido inicialmente como una nueva forma de segmentar este tipo de señales y se desarrolló como un algoritmo completo de reconocimiento, incluyendo la optimización de los recursos disponibles. Con el MRA, se ha estudiado cómo segmentar señales y seleccionar los fragmentos más representativos para poder reconocer a un usuario. Esto hace que el MRA no sea solamente competitivo en materia de precisión, sino también en velocidad y requerimientos “hardware”. Esto significaría que el MRA podría ser implementado mediante una app en teléfonos móviles que ya están en el mercado. La segunda contribución de esta tesis es el desarrollo de un segundo algoritmo, llamado Deep Gait Algorithm (DGA). El DGA hace uso del “deep learning” para procesar las señales recibidas. Esto permite que el sistema tenga una visión más detallada de las señales de gait y, por lo tanto, una precisión superior. El DGA ha demostrado disponer de uno de los mejores resultados en el estado del arte, mostrando su valor en una de las bases de datos más usadas para comprar algoritmos. Es verdad que puede resultar demasiado complejo para ser implementado en los teléfonos que usamos actualmente. No obstante, con los avances realizados en comunicaciones inalámbricas y con teléfonos de mayor potencia, se podría asistir a su implementación en poco tiempo. La tercera contribución de esta tesis se deriva de una serie de evaluaciones operacionales. Varias evaluaciones han sido realizadas respondiendo a preguntas comunes, tales como “¿cuánto tiempo tengo que andar para que el sistema me reconozca? ¿qué ocurre si cambio de zapatos¿ ¿y si no quiero ser reconocido?” Estas y otras preguntas han sido resueltas a través de las evaluaciones realizadas, que son clave para superar los límites teóricos que el reconocimiento por gait tendrá que resolver en el futuro. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Richard Matthew Guest.- Secretario: Enrique Fernando Cantó Navarro.- Vocal: Marcos Faundez Zanuy

Mención Internacional en el título de doctor Capacitive sensors are omnipresent in both automotive and consumer applications. Micro-Electro- Mechanical-Systems (MEMS) are often used to transform a physical quantity (e.g. pressure, temperature, humidity, ...) to electrical quantities (e.g. capacitance, resistance, ...). Capacitanceto-Digital Converters (CDCs) are therefore of major significance. They permanently strive for perfection since they represent the State-of-the-Art in terms of an e cient electrical interface and adequate digital conversion of those capacitive sensors. The purpose of this research is to provide new insights into a specific converter family in the context of a CDC. While a vast amount of converter concepts has been discussed in the open literature, this dissertation focuses on a simplified type of time-domain converter. To be more specific, a Dual-Slope based Capacitance-to-Digital Converter is presented. The traditional Dual- Slope converter is modified to provide a switched-capacitor sensor readout, first-order noise-shaping and e cient multi-bit conversion using single-bit circuitry. It is based on an averaging concept and employs a kind of time-domain resolution. A similar concept was already shown in the past. It was based on a continuous-time converter using a dedicated sensor readout stage. It is important to point out that this new dissertation focuses on a direct sensor readout concept to utilize the discrete-time benefits. As a result, both area and power e ciency are improved. The converter concept is proven on silicon in a standard 0.13 m process using both a real capacitive pressure sensor and an on-chip dummy MEMS bridge. A 3.2ms measurement results in 13bit resolution while consuming 35µA from a 1.5V supply occupying 0.148mm2. A comparison to the State-of-the-Art proofs the converter concept to be competitive. However, a clear trend toward hybrid solutions can be seen, which indicates to be superior in many aspects. O ering a concept which could be combined with other converters proof to be beneficial in terms of overall e ciency. A traditional first-order discrete-time modulator is a very common building block within converters. Interestingly, a direct comparison shows many similarities to the proposed noise-shaping Dual-Slope based concept. A high-level and circuit-level analysis is revealing, since it points out a noise- versus sensor power-consumption trade-o between the two converter approaches. While the concept is superior in terms of output resolution, the Dual-Slope converter is advantageous for low-power medium-performance applications when large absolute sensor capacitors are present. An inherent property of the proposed Dual-Slope based converter is the availability of the quantization error in the analog domain. It is this fact which makes it easy to be used within a Multi-stAge-noise-SHaping (MASH) architecture. This concept is proven within a 1-1 MASH example on both system- and circuit-level where two Dual-Slope based converters are used. It is also worth mentioning, that the second stage could be exchanged by any type of converter. However, a mismatch analysis indicates commonly high matching requirements. Further adaptations towards Sturdy-MASH (SMASH) architectures would be necessary to be more competitive. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Susana Patón Álvarez.- Secretario: Rocío del Río Fernández.- Vocal: Dietmar Sträussnigg

Mención Internacional en el título de doctor Biometrics is currently replacing traditional authentication mechanisms in more and more contexts. Biometric recognition allows us to identify ourselves quickly and easily without requiring any effort as when remembering secret codes or passwords. For this reason, more and more users choose to unlock their smartphones through the face or finger recognition. Hence, the release of mobile services supported by biometric recognition is increasing. This growing use of biometrics has raised new questions about the user interaction. Is it easy to interact with the new biometric applications? Can anyone use them? Are people aware of how this new technology works? Can mobile biometrics be applied to improve accessibility in daily contexts? This thesis aims to bring improvements to the study of user interaction and usability in biometrics. The study focuses on the user and his or her characteristics (e.g., experience, age, health status). For this reason, two scenario evaluations were carried out proposing biometric systems to a heterogeneous group of data subjects. The experiments were developed and designed following the directives of the ISO/IEC 21472. While the evaluation of the user interaction was conducted according to a novel methodology presented for the first time in this Thesis. The novel methodology sets specific metrics to report how the user’s characteristics impact the outcome of the biometric process. Its key point is the accessibility and all its aspects: the accessibility of the scenario, of the biometric system, and how the user’s accessibility concerns influence the interaction with biometric applications. Results show a strong correlation between the age, experience, health status of the user, and the outcome of the recognition process (in terms of performance, usability, accessibility, and biometric sample quality). This demonstrated that the accessibility brings to a lot of information regarding the human-biometric system interaction. Thus, all its aspects must be considered to improve the traceability and comparability of future assessments. The main contributions of this Thesis include: • First application of the ISO/IEC 21472 to design user interaction evaluations in Biometrics • A proposal of a novel methodology to analyse the accessibility of biometric recognition systems • Validation of this novel methodology through two user interaction evaluations. Actualmente la biometría está reemplazando los mecanismos de identificación tradicionales en más y más contextos. El reconocimiento biométrico nos permite identificarnos de forma rápida y sencilla sin requerir ningún esfuerzo, por ejemplo: recordar códigos secretos o contraseñas. Por esta razón, cada vez más usuarios optan por desbloquear sus teléfonos móviles mediante el reconocimiento facial o de huella. Por lo tanto, está proliferando la creación de servicios móviles basados en el reconocimiento biométrico. Este uso creciente de la biometría ha planteado nuevas preguntas sobre la interacción del usuario con el sistema. ¿Cuánto de fácil es interactuar con las nuevas aplicaciones biométricas? ¿Son accesibles a todo el mundo? ¿Conoce la gente cómo funciona esta nueva tecnología? ¿Se puede aplicar la biometría móvil para mejorar la accesibilidad en contextos diarios? Esta tesis tiene como objetivo aportar mejoras al estudio de la interacción del usuario y la usabilidad en biometría. El enfoque principal de este estudio es el usuario y sus características (por ejemplo, experiencia, edad, estado de salud). Por este motivo, se realizaron dos evaluaciones de escenarios proponiendo sistemas biométricos a un grupo heterogéneo de sujetos. Los experimentos se desarrollaron y diseñaron siguiendo las directivas de la ISO/IEC 21472. Mientras que la evaluación de la interacción del usuario se realizó de acuerdo con una metodología novedosa presentada por primera vez en esta Tesis. La nueva metodología establece métricas específicas para informar cómo las características del usuario impactan el resultado del proceso biométrico. Su punto clave es la accesibilidad y todos sus aspectos: la accesibilidad del escenario, del sistema biométrico y cómo los problemas de accesibilidad o discapacidad del usuario influyen en la interacción con las aplicaciones biométricas. Los resultados muestran una fuerte correlación entre la edad, la experiencia, el estado de salud del usuario y el resultado del proceso de reconocimiento (en términos de rendimiento, usabilidad, accesibilidad y calidad de la muestra biométrica). Esto demuestra que la accesibilidad aporta mucha información sobre la interacción humano-sistema biométrico. Por tanto, todos sus aspectos deben ser considerados para mejorar la trazabilidad y comparabilidad de evaluaciones futuras. Las principales contribuciones de esta Tesis incluyen: • Primera aplicación de la norma ISO/IEC 21472 para diseñar evaluaciones de interacción del usuario en biometría • Una propuesta de una metodología novedosa para analizar la accesibilidad de los sistemas de reconocimiento biométrico • Validación de esta novedosa metodología a través de dos evaluaciones de interacción de usuarios. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Enrique Cabello Pardos.- Secretario: Mariano López García.- Vocal: Young-Bin Kwon

In recent years, analog-to-digital converters (ADCs) designed with voltagecontrolled oscillators (VCOs) have gained popularity due to their mostly digital implementation, among other benefits. These analog-to-digital conversion architectures can take advantage of the current miniaturization in the complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) technology, specifically in terms of die area, power consumption and scalability. Furthermore, digital circuitry can be implemented in a semi-custom design flow with available computer-aided design (CAD) tools, simplifying and making less costly the design process. This dissertation proposes the development and implementation of digital interfaces for capacitive microelectromechanical systems (MEMS) microphones based on open-loop VCO-ADCs. The design of open-loop VCO-ADC interfaces for sensors can be divided into two different approaches. The first one is associated with the implementation of the input-signal-to-frequency conversion stage, which consists of the oscillator and the circuit for the interconnection between sensor and oscillator. This part of the converter translates the analog input signal variation, which is a voltage signal in a capacitive MEMS microphone, into a frequency variation of the oscillator output signal. The design of this stage is aimed to reduce the flicker and thermal noise contribution that limits the ADC resolution. In the oscillator, these noise sources appear as phase noise, which is demodulated after sampling as a low frequency noise. Another limiting factor inherent to the oscillator in open-loop architectures is the non-linear relationship between input signal and output frequency. Usually, the estimation of the degradation caused by these impairments is done by transient simulations that consume a significant computational time. This complicates the iterative optimization in terms of phase noise, power consumption and area during the oscillator design process. In this thesis is proposed a methodology based on periodic steady state (PSS) and putacional significativo. Esto hace que se complique el diseño basado en la optimización iterativa de parámetros del oscilador tales como el ruido de fase, el consumo de potencia y el área. En esta tesis se propone una metodología basada en simulaciones PSS y PNOISE para realizar una optimización iterativa del oscilador con un tiempo computacional reducido. El segundo enfoque en el diseño de interfaces de lazo abierto basadas en osciladores para sensores está relacionado con la etapa de conversión de frecuencia a digital. Este circuito mayormente digital convierte la salida del oscilador codificada en frecuencia a una secuencia digital, la cual es proporcional a la variación de la señal analógica de entrada del convertidor. Entre los objetivos de diseño más importantes para este bloque se encuentran la mejora de la resolución del convertidor y la optimización del consumo de potencia. Esto es abordado en esta tesis a través de la propuesta de dos arquitecturas diferentes para la conversión de frecuencia a digital. La primera de ellas utiliza un convertidor tiempo-digital para mejorar la resolución del convertidor sin incrementar el orden del conformado de ruido o la frecuencia del reloj del sistema, mientras que la segunda se basa en una arquitectura novedosa de cuantificación gruesa-fina de bajo consumo. Para demostrar la viabilidad de las arquitecturas de conversión de datos propuestas para micrófonos MEMS de tipo capacitivo, se han diseñado e implementado dos prototipos en tecnología CMOS de 130 nm. El primer chip implementado está basado en la arquitectura del convertidor tiempodigital, el cual alcanza un rango dinámico de 100 dB-A con un punto de sobrecarga acústica de 130 dBSPL. El segundo chip propuesto incorpora un circuito de cuantificación grueso-fino con robustez frente a errores de metaestabilidad y sincronización. Este ocupa un área activa de 0.04 mm2 con un consumo de potencia de 240 μW, alcanzando un rango dinámico de 97 dB-A en un modo de operación normal. En un modo de operación de potencia reducida alcanza un rango dinámico de 93 dB-A consumiendo sólo 77 μW. En los últimos años, los convertidores analógico-digitales diseñados con osciladores controlados por tensión han ganado una gran popularidad debido a su implementación con circuitos mayormente digitales, entre otras ventajas. Estas arquitecturas de conversión analógico-digital se benefician de la miniaturización actual de la tecnología CMOS, específicamente en términos de área, consumo de potencia y escalabilidad. Además, los circuitos digitales pueden ser implementados de manera semiautomática con las herramientas actuales de diseño asistido por ordenador, simplificando y reduciendo los costos del proceso de diseño. Esta tesis propone el desarrollo e implementación de interfaces digitales para micrófonos MEMS de tipo capacitivo empleando convertidores analógico-digitales implementados con osciladores controlados por tensión. El diseño de interfaces de conversión de datos de lazo abierto basadas en osciladores para sensores se puede entender mediante dos enfoques diferentes. El primero de ellos está asociado con la implementación de la etapa de conversión de la señal de entrada a frecuencia, la cual está conformada por el oscilador y el circuito encargado de la interconexión entre el sensor y el oscilador. Esta parte del convertidor traduce la variación de la señal analógica de entrada, la cual es una tensión en el caso de micrófonos MEMS de tipo capacitivo, en una variación de frecuencia de la señal de salida del oscilador. El diseño de esta etapa está enfocado en la reducción de los ruidos flicker y térmico que limitan la resolución del convertidor. Tales ruidos aparecen en el oscilador en forma de ruido de fase, el cual es demodulado después del muestreo como una componente de ruido de baja frecuencia. Otro factor limitante que aparece en el oscilador en arquitecturas de lazo abierto es la distorsión provocada por la no linealidad entre la señal de entrada y la frecuencia de oscilación. Usualmente, la estimación de la degradación causada por estas limitaciones is realizada mediante simulaciones transitorias, las cuales consumen un tiempo computacional significativo. Esto hace que se complique el diseño basado en la optimización iterativa de parámetros del oscilador tales como el ruido de fase, el consumo de potencia y el área. En esta tesis se propone una metodología basada en simulaciones PSS y PNOISE para realizar una optimización iterativa del oscilador con un tiempo computacional reducido. El segundo enfoque en el diseño de interfaces de lazo abierto basadas en osciladores para sensores está relacionado con la etapa de conversión de frecuencia a digital. Este circuito mayormente digital convierte la salida del oscilador codificada en frecuencia a una secuencia digital, la cual es proporcional a la variación de la señal analógica de entrada del convertidor. Entre los objetivos de diseño más importantes para este bloque se encuentran la mejora de la resolución del convertidor y la optimización del consumo de potencia. Esto es abordado en esta tesis a través de la propuesta de dos arquitecturas diferentes para la conversión de frecuencia a digital. La primera de ellas utiliza un convertidor tiempo-digital para mejorar la resolución del convertidor sin incrementar el orden del conformado de ruido o la frecuencia del reloj del sistema, mientras que la segunda se basa en una arquitectura novedosa de cuantificación gruesa-fina de bajo consumo. Para demostrar la viabilidad de las arquitecturas de conversión de datos propuestas para micrófonos MEMS de tipo capacitivo, se han diseñado e implementado dos prototipos en tecnología CMOS de 130 nm. El primer chip implementado está basado en la arquitectura del convertidor tiempo digital, el cual alcanza un rango dinámico de 100 dB-A con un punto de sobrecarga acústica de 130 dBSPL. El segundo chip propuesto incorpora un circuito de cuantificación grueso-fino con robustez frente a errores de metaestabilidad y sincronización. Este ocupa un área activa de 0.04 mm2 con un consumo de potencia de 240 μW, alcanzando un rango dinámico de 97 dB-A en un modo de operación normal. En un modo de operación de potencia reducida alcanza un rango dinámico de 93 dB-A consumiendo sólo 77 μW. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Mark Vesterbacka.- Secretario: María Luisa López Vallejo.- Vocal: Pedro Augusto Borrego Lambín

El presente documento de tesis está enfocado en el empleo de la técnica de Recovery Voltage Measurement (RVM) o Tensión de Reabsorción, en castellano, para mejorar el análisis de la condición del dieléctrico de un transformador de potencia del tipo papel aceite, y en concreto para la evaluación del estado del dieléctrico tras procesos de mejora de la condición del mismo como son el reacondicionado, el secado y la regeneración, si bien es aplicable a la evaluación de procesos de envejecimiento siempre que la evaluación pueda ser realizada respecto a un ensayo de huella realizado previamente. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Alfredo Ortiz Fernández.- Secretario: Juan Carlos Burgos Díaz.- Vocal: Eduardo Gómez Luna

En un mundo en el que las tecnologias avanzan a pasos agigantados, es necesario proponer y aplicar nuevas mejoras de forma continua aplicadas a cualquier campo. El mundo de la tecnologia laser, incluido dentro del campo anterior, tiene infinidad de aplicaciones en las que son necesarios nuevos laseres a diario para facilitar las medidas y mejorar los resultados de los ambitos en los que estos dispositivos se usen. En esta tesis se presenta un nuevo concepto de tecnologia para la fabricacion de laseres sintonizables. Existen laseres fabricados con gases, tintes o incluso con elementos de estado solido como el rubi, aunque es habitual que los laseres sintonizables, que son aquellos en los que se puede variar su longitud de onda de emision, que esten fabricados con diodos de semiconductor. Los semiconductores, combinados adecuadamente, generan unas bandas de emision que comprenden las longitudes de onda, o colores, entre el ultravioleta y el infrarrojo. Actualmente, hay distintas tecnologias con las que llevar a cabo la sintonizacion de la luz coherente emitida por un laser de semiconductor. Con objeto de crear un laser sintonizable, hacen falta distintos elementos: un material activo que proporcione ganancia en el rango de longitudes de onda necesarios; reflectores que creen una cavidad resonante en el que la emision laser estimulada se pueda producir, generando distintas longitudes de onda (o frecuencias) en todo el rango habilitado; y un filtro que seleccione el modo adecuado de emision, ya que estamos hablando de laseres con una unica frecuencia. Entre las distintas tecnologias habilitadoras para la fabricacion de laseres sintonizables, cabe destacar los mas utilizados laseres de realimentacion distribuida (DFBs segun sus siglas en ingles, Distributed FeedBack Lasers, o DBRs, tambien segun sus siglas en ingles, Distributed Bragg Reflector Lasers) y los laseres de cavidad externa. La diferencia principal entre estas dos tecnologias es que en los DFBs y DBRs, la seleccion de frecuencia se hace mediante una red de difraccion distribuida a lo largo del material semiconductor. Esta red de difraccion, conocida por red de Bragg ya que fue el quien primero la planteo, sirve como reflector y como filtro a la vez, ya que se encarga de reflejar unicamente la frecuencia de emision deseada. De esta forma, el laser se estabiliza a la longitud de onda fijada por la red de Bragg, que esta inscrita directamente en el chip de semiconductor. Esta solucion genera unos dispositivos compactos y estables, pero con inconvenientes muy ligados al propio concepto de filtrado que se plantea con ellos. Al ser las inscripciones hechas directamente en el material, se generan perdidas de potencia ligadas a las propias irregularidades encargadas de filtrar. Ademas, el rango de sintonizacion de estos dispositivos es muy limitado, ya que hacen uso de un efecto termico con el que expandir o contraer la propia red de difraccion inscrita en el chip. Los semiconductores, al no ser materiales con un alto coeficiente de expansion termica, se ven limitados a un rango muy estrecho de sintonizacion si se emplea esta tecnologia. En contraposicion a los dispositivos ya descritos, encontramos la tecnologia de los laseres sintonizables de cavidad externa. Esta se basa mayormente en dos configuraciones distintas: cavidades tipo Littrow y cavidades tipo Littman-Metcalf. La primera de ellas es relativamente mas sencilla. Un material activo es colocado entre dos reflectores. Uno de ellos es un reflector comun, como un espejo, mientras que el otro consiste en una red de difraccion externa que realimenta la longitud de onda deseada al material activo, estabilizando el laser. Para sintonizar este tipo de cavidades, es necesario girar en un angulo determinado la red de difraccion y, de esta manera, variar la frecuencia reflejada al material activo para su estabilizacion. El segundo tipo de cavidad, la cavidad tipo Littman-Metcalf, agrega un elemento mas a la configuracion: el material semiconductor activo se coloca entre un reflector comun y una red de difraccion, pero en este caso el angulo de la red de difraccion es distinto y apunta a un segundo reflector comun, que sera el encargado de girar para realizar la sintonizacion de la longitud de onda del laser. Los laseres presentados en esta tesis de doctorado se basan en esta segunda configuracion para su sintonizacion de frecuencia. Presentamos aqui la aplicacion de micro sistemas electro mecanicos en la fabricacion de laseres de semiconductor de cavidad externa, con una serie de ventajas muy evidentes en comparacion con los sistemas habituales. Tradicionalmente, los laseres sintonizables de cavidad externa se basan en componentes mecanicos. Esto se traduce en unos dispositivos voluminosos en el que su ambito de aplicacion se ve muy limitado dada su poca capacidad de movilidad. Con la introduccion de los MEMS en la configuracion de los laseres, podemos sustituir los componentes mecanicos voluminosos y asi reducir el tamano de los dispositivos y aumentar su portabilidad. Este punto habilita el incremento de aplicaciones en las que estos laseres pueden ser aplicados, ya que pudiendo ser portatiles se hace posible su uso directamente en campo o crear dispositivos ligeros para su inclusion en aparatos de mano, mucho mas convenientes para el dia a dia. Otro de los puntos a favor de estos laseres es la potencia de salida proporcionada. La red de difraccion externa, ya sea de transmision o de reflexion, se puede ajustar en su punto optimo de reflexion para maximizar el nivel de potencia optica a la salida del laser. Ademas, estas redes no estan inscritas sobre el material semiconductor y no producen perdidas adicionales como si ocurre en el caso de los laseres de realimentacion distribuida descritos anteriormente. Lo mismo sucede con el rango de sintonizacion de los dispositivos presentados. Este no esta limitado por ningun efecto como si que pasa en los DFBs y DBRs, y de esta manera la sintonizacion de la longitud de onda se extiende hasta el total del ancho de banda de ganancia proporcionado por el material semiconductor que empleemos en la cavidad. El ancho de linea de la emision laser de las configuraciones que presentamos son muy estrechos. Esto implica que los valores ofrecidos por cavidades Littrow y Littman-Mettcalf se hallan en las decenas de kilohercios, disminuyendo asi en uno o dos factores de magnitud la anchura de las lineas laser de otras configuraciones. Mediante esta alta selectividad en longitud de onda, sumado al alto nivel de potencia ofrecido por los dispositivos desarrollados en esta tesis, se incrementa la sensitividad y la resolucion de cualquiera de las aplicaciones en las que se usen estos laseres. Adicionalmente a las caracteristicas ya mencionadas, hay un factor que hace de este desarrollo un avance clave para la tecnologia: la velocidad de sintonizacion. Las cavidades externas tradicionales hacen uso, como ya se ha mencionado anteriormente, de piezas mecanicas para la sintonizacion del dispositivo. Para poder sintonizar el rango completo de longitudes de onda ofrecidos por la cavidad, hace falta un tiempo del orden de segundos en el mejor de los casos, que es cuando se emplea un motor para mover el brazo mecanico correspondiente. Con el dispositivo que presentamos, estos tiempos se reducen en varios ordenes de magnitud, situandose en las decenas de milisegundos. Este efecto se consigue mediante la aplicacion de un voltaje que, de manera instantanea, traslada este valor a un angulo de giro que se aplica a los MEMS para sintonizar la longitud de onda del laser. Este avance, aparte de aportar una capacidad de medida practicamente en tiempo real a distintas frecuencias, va ligado a la precision de los sistemas electromecanicos que se han introducido, mejorando asi en comparacion los resultados ofrecidos por las piezas puramente mecanicas. Se ha medido la estabilidad de estos laseres, con resultados por debajo de los picometros y muchas veces estas medidas han estado incluso limitadas por la resolucion disponible para su adquisicion aun a pesar de utilizar instrumentos con la ultima tecnologia, lo que indica el alto grado de precision y estabilidad de los dispositivos desarrollados. El desarrollo de la cavidad externa para los dispositivos presentados no ha sido un proceso trivial, sino que ha necesitado de varias iteraciones hasta llegar a un resultado estable. Estos ciclos se muestran en la tesis, de manera que se ve la evolucion de los dispositivos. Como ultimo punto a destacar, la tecnologia aqui presentada es aplicable a distintos materiales de ganancia, pudiendo cubrir el espectro optico que se necesite con solo ajustar los componentes necesarios. La posibilidad de extrapolar esta tecnologia a todo el espectro optico, cubriendo desde el ultravioleta al infrarrojo lejano. Las conclusiones de esta tesis se reflejan en todos los puntos a favor de los dispositivos presentados: alta potencia de salida, gran rango de sintonizacion, estabilidad y velocidad de conmutacion entre distintas longitudes de onda para mediciones en tiempo real.

Como los parámetros de los que depende el funcionamiento de un pirómetro son múltiples y no es posible tratar todas las casuísticas por la complejidad que supone y la extensión de las mismas, este Trabajo de Fin de Grado tiene como objetivos a desarrollar los siguientes: Adaptación de las simulaciones para el nuevo fotodetector utilizado por el GDAF, haciendo un pequeño análisis del efecto que tiene utilizar fotodetectores de distintos fabricantes manteniendo el resto de parámetros constantes. Estudiar en qué rango de temperatura los distintos tipos de fibras trabajan de forma más óptima, teniendo en cuenta si es multimodo (Multi Mode Fiber, MMF) o monomodo (Single Mode Fiber, SMF) así como el diámetro de la misma. Analizar la dependencia de las medidas con el tamaño del objeto cuya temperatura se desea medir y/o con la distancia a la que se encuentra el mismo. Optimizar el programa en lo posible para que sea eficaz y fácil de utilizar en distintas casuísticas. Realizar un estudio de cómo afectan las tolerancias de los distintos componentes al sistema. Ingeniería en Tecnologías Industriales (Plan 2010)

La presente memoria corresponde al experimento desarrollado que simula un sistema de control de acceso que permite la apertura de una puerta a través de diferentes métodos y sistemas de identificación biométrica. Este experimento tiene como objetivo principal estudiar la influencia de la incorporación de sistemas biométricos en las tareas cotidianas de los usuarios, prestando especial atención a aquellos usuarios que presentan problemas de accesibilidad ya sea debido a su edad, por discapacidad física o por discapacidad cognitiva. Se va a comenzar haciendo un análisis de la situación actual, enlazando con las motivaciones y objetivos que se han perseguido a lo largo del proyecto. El reconocimiento biométrico es un campo que está en auge en la actualidad y el problema que se plantea es comprobar si estos sistemas son accesibles para todo tipo de usuarios y si estos serían beneficiosos en tareas de la vida cotidiana que éstos realizan. Para analizar este problema se utiliza un sistema de control de acceso de simula la apertura de una puerta donde se emplearán sistemas biométricos basados en la identificación a través de huella dactilar y la identificación facial. Para tener una visión más global, estas dos modalidades se van a incorporar tanto a una aplicación móvil como a una aplicación web que hará uso de sensores externos. Con el objetivo de comprender la materia que se está tratando, se va a realizar una introducción al mundo de la biometría y se va a exponer cómo funcionan los sistemas biométricos utilizados justificando por qué se han decidido usar el reconocimiento por huella dactilar y el reconocimiento por identificación facial. Para realizar la evaluación del sistema de control de acceso se ha diseñado un experimento donde diferentes tipos de usuarios tuvieran la oportunidad de probar en primera persona las modalidades de identificación facial y de huella dactilar tanto con una aplicación móvil como con una aplicación web, con el fin de obtener resultados referentes a rendimiento, usabilidad y accesibilidad. Finalmente, se procede a realizar un análisis de los datos extraídos durante la fase de evaluación del sistema, que han permitido realizar una presentación de posibles propuestas a desarrollar en el futuro. Ingeniería en Tecnologías de Telecomunicación (Plan 2010)

En esta memoria se describen todos los pasos que se han dado para el desarrollo de un sistema de control analógico que permita estabilizar el vuelo de un dron, con el objetivo de poder incorporarlo de manera futura a un sistema de aterrizaje autónomo más complejo, el cual tiene como objetivo principal aumentar la autonomía de vuelo de drones civiles de manera sencilla y asequible. Inicialmente se describirán los tipos de drones que existen, se expondrán las diferentes soluciones que grandes empresas han propuesto para solucionar el problema de la autonomía, y se describirá el funcionamiento básico y los componentes que un cuadricóptero y, en general, cualquier dron civil necesita para funcionar. Más adelante se describirá el tipo de algoritmo de control elegido (control PID), y se explicarán los problemas que se deben solventar y las soluciones propuestas. A continuación, se expondrán los fundamentos teóricos de dichas soluciones, su implementación en circuitos electrónicos y se diseñarán todos los componentes necesarios para este propósito. Para seguir, se explicará cómo se ha llevado a cabo el diseño de las placas PCB que se montarán en el dron y se describirán las pruebas necesarias para ajustar y comprobar el correcto funcionamiento del sistema. También se mostrarán las medidas de seguridad tomadas para evitar riesgos a la hora de llevar a cabo dichas pruebas. Por último, se explicarán las conclusiones a las que se ha llegado y se realizará un análisis tanto económico como social del impacto que puede tener este proyecto en el futuro. Además, se calculará el coste del sistema mediante un presupuesto y se explicará la organización planificada para ejecutar el proyecto. Ingeniería Electrónica Industrial y Automática (Plan 2008)

El proyecto presentado tiene como fin ampliar las funcionalidades que ofrece el microcontrolador STM32L152RE aportando un sistema adicional de sensores diversos, con el fin del uso de distintos periféricos. La adición de estas funcionalidades se implementa con el objetivo de facilitar el uso y aprendizaje de estos sistemas para aquellos alumnos que utilicen la placa STM en prácticas del departamento de Tecnología Electrónica de la Universidad Carlos III de Madrid. Se ha realizado un estudio de la funcionalidad y capacidad de las diferentes placas expansión compatibles con el microcontrolador STM32L152RE, y como consecuencia de han escogido dos placas expansión que añaden funcionalidades al microcontrolador seleccionado para el desarrollo de este TFG: X-NUCLEO-IKS01A2 y X-NUCLEO-6180XA1. Además, se ha utilizado el entorno STM32CUBEMX, de la compañía ST, para las configuraciones relacionadas con los pines del microcontrolador. The following proyect aims to expand the functionalities offered by the STM32L152RE microcontroller, providing an additional system of multiple sensors, in order to use different peripherals. These funcionalities’ addition are implemented with the purpose of facilitating the usage and learning of these systems, for those students who use the STM board in practices of the Department of Electronic Technology of the University Carlos III of Madrid. A study of the function and capabilities of the different expansion boards that are compatible with the STM32L152RE microcontroller has been carried out, and as a consequence, two expansion boards that add some funcionalities to the oficial microcontroller have been chosen: The X-NUCLEO-IKS01A2 and the X-NUCLEO-6180XA1. In addition to this, the STM32CUBEMX software environment has been used for the configurations related to the microcontroller pins. Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

Este proyecto recoge todo el proceso llevado a cabo para la implementación de un circuito electrónico de control que mediante energía solar renovable y un convertidor de tensión CC/CC alimenta un pestillo eléctrico integrado en el sistema. El circuito se completa junto con un sensor de identificación por radiofrecuencia y un microcontrolador que permiten accionar el pestillo a placer. Aparte de la implementación, son de relevante importancia los procesos de estudio y diseño del circuito de control, planteando distintas soluciones dentro del marco de la IoT y de la domótica de viviendas. La aportación técnica de este proyecto es el estudio y búsqueda de una fuente de alimentación de energía alternativa para el entorno IoT. Finalmente, se recogen los resultados de dicho estudio, diseño e implementación y se elaboran una serie de conclusiones relativas a los objetivos, siendo estas realmente positivas ya que la implementación del sistema funciona perfectamente. Ingeniería en Tecnologías Industriales

En este trabajo de fin de grado se desarrolla el análisis, diseño, modelado, control, selección de componentes y simulación de un cargador de baterías basado en el convertidor CC-CC resonante LLC. Este cargador de batería responde a las especificaciones de un avión ligero eléctrico. Se describirá el convertidor resonante LLC explicando sus ventajas e inconvenientes y el motivo de su elección. Además, se enseñarán las técnicas de modelado y control que se llevarán a cabo. Se diseñará la etapa de potencia del convertidor buscando los valores de los componentes que mejor se ajustan. Por otro lado, se optimizará el control del convertidor usando distintos métodos y eligiendo el más adecuado. Finalmente, se realizará una simulación del proceso de carga completo para demostrar el correcto funcionamiento del diseño. In this Bachelor Thesis, the analysis, design, modeling, control, component selection and simulation of a battery charger based on the LLC resonant DC-DC converter are developed. This battery charger meets the specifications of a light electric aircraft. The LLC resonant converter will be described explaining its advantages and disadvantages and the reason for your choice. In addition, modeling and control techniques will be described. The power stage of the converter will be designed looking for the best values of the components. On the other hand, the control of the converter will be optimized using different methods and choosing the most suitable one. Finally, a simulation of the full load process will be performed to demonstrate the correct operation of the design. Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

Dentro del ámbito de la seguridad hardware y la ciberseguridad toman cada vez más importancia técnicas de criptografía y métodos de cifrado cuyo objetivo es garantizar la confidencialidad de la información. La piratería dentro del sector de los circuitos integrados genera pérdidas considerables en la industria, por lo cual resulta necesaria la inversión y el desarrollo de técnicas de seguridad más fiables y vigorosas. De esta necesidad surge la aparición de lo que se conoce como función física inclonable (PUF). Las funciones físicas inclonables se basan en la variabilidad de ciertas propiedades físicas durante el proceso de fabricación de semiconductores, generando firmas digitales para cada dispositivo imposibles de ser replicadas. En este trabajo, la idea es esclarecer la posibilidad de explotar las variaciones en los sensores “on-chip” de distintas FPGA a través del conversor analógico-digital (XADC) integrado en las mismas, e implementando una función física inclonable (PUF) basada en “Ring Oscillators”. Within hardware security and cybersecurity environment cryptography techniques and encryption methods become relevant. The main goal is to assure data privacy. Concerning Integrated Circuits, industrial piracy generates economic losses affecting all sectors of Industry. Therefore, investment and development of security methods turns into a must in order to gain in reliability and robustness. From this need arose the emergence of ‘Physically Unclonable Functions’ (PUFs). Indeed, Physical Unclonable Functions are based on the random variations on chip level of physical properties during the silicon manufacturing process of semiconductors. This leads to the generation of inherent “digital signatures” for each device that cannot be replicated. This work will clarify the possibility of exploiting on-chip sensors variations of different FPGA through the Xilinx Analog to Digital Converter (XADC) which is integrated on them. And also, implementing such a PUF based on Ring Oscillators. Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

Existen infinidad de personas cuyos trabajos dependen directamente de la utilización de colores. En la mayoría de los casos es complicado diferenciar los matices entre distintos colores ya que, en general, estos dependen tanto de factores externos, como la luz que incide sobre ellos en ese momento, como de las propias personas, dotando a la visión del color de cierta subjetividad. Además, hay usuarios que padecen problemas de visión, los cuales les generan dificultades en su día a día debido a la imposibilidad de diferenciar correctamente entre colores. Hoy en día existen sistemas capaces de reconocer los colores de diferentes objetos de forma muy precisa, aunque suelen tener un coste elevado y su uso está principalmente enfocado a la pintura y el arte. El objetivo del estudio es crear un sistema basado en tecnologías de reconocimiento de color. El dispositivo diseñado tiene que ser capaz de ofrecer datos específicos de las características de los colores a las personas que busquen referencias de estos mismos. Con esta finalidad en mente, cabría preguntarse de qué manera se puede desarrollar un sistema, encargado del reconocimiento de colores, con alta precisión, que resulte al alcance de la mayor parte de los usuarios. El sistema desarrollado se presenta en una estructura portátil, perfecta para su uso en cualquier situación sin que su transporte resulte un estorbo. Se ha utilizado un procesador Arduino para su desarrollo, ya que permite una amplia gama de posibilidades con buenos resultados a muy bajo coste. Además, este sistema se comunica, inalámbricamente, con una aplicación móvil. Esto es una gran ventaja para los usuarios que deseen utilizarlo ya que, hoy en día, la mayoría de las personas poseen un teléfono móvil o pueden adquirirlos a un precio reducido. Tras las pruebas finales, realizadas con el sistema completo, los resultados obtenidos muestran una alta precisión del sistema. Ante una repetición de adquisiciones al mismo color, los resultados tienen un error despreciable. Las comparaciones se ejecutan correctamente, ofreciendo resultados muy similares al color medido. Estos resultados facilitan la necesidad de ciertas personas a conocer las características exactas del color que tienen delante, ofreciendo también la posibilidad de obtener los datos del número de referencia de un fabricante que distribuya ese color para una aplicación determinada, por ejemplo, pintura. El sistema puede ayudar en muchos ámbitos a cualquiera de las personas descritas al comienzo. Además, se pueden realizar actualizaciones al sistema que le añadan nuevas características como, por ejemplo, una respuesta de sonido tras las comparaciones de colores o pintar la pantalla del color aproximado que se encuentra en la base de datos. There are countless people whose jobs depend directly on the use of colours. Most of the times it is difficult to differentiate the nuances between different colours, considerate that, in general, they depend on external factors, such as how they are lighted up at that moment. Besides the large number of people who suffer from visual problems, which cause them difficulties in their day to day activities due to the impossibility to distinguish between colours. Nowadays there are systems which are capable of recognize the colours of different objects in a very precise way, although they usually have a high cost and their use is mainly focused on painting and art areas. The objective of this study is to develop a system based on colour recognition technologies. The designed device has to be able to offer specific data of colour’s characteristics to the people who look for references of them.With this purpose in mind, one might wonder how a system can be developed, responsible for the recognition of colours, with high precision, which is available to the majority of users. The developed system is presented in a portable structure, perfect for his use in any situation without its transportation being a hindrance. An Arduino processor has been used for its development, since it allows the system to reach a wide range of possibilities with good results at a very low cost. In addition, this system communicates, wirelessly, with a mobile application. This is a great advantage for users who want to use it because, nowadays, most of people own a mobile phone or can buy it at a reduced price. After the final tests, carried out with the complete system, the results obtained show a high precision of the system. Faced with a repetition of acquisitions of the same colour, the results have a negligible error. The comparisons are executed correctly, offering results very similar to the measured colour. These results facilitate the need for certain people to know the exact characteristics of the colour in front of them, also offering the possibility of obtaining the data of the reference number of a manufacturer that distributes that colour for a given application, for example, painting. After the final tests, done with the system complete, the obtained results show a high precision of the system. compared with repeated acquisitions of the same colour, the results have a negligible error. The comparisons are executed correctly, offering results very similar to the measured colour. These results facilitate the need OF certain people to know the exact characteristics of the colour in front of them, also offering the possibility of obtaining the data of the manufacture’s reference number that distributes that colour for a certain application, for example, painting. Taking into account these results, the system can help many people in a lot of areas, which are described at the beginning. In addition, you can make updates to the system to add new features, for example, a sound response after comparisons of colours or the possibility of painting the screen with the recognised colour. Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

En los últimos años se ha presenciado un aumento en la importancia de las enfermedades no contagiosas en los países desarrollados, entre las cuales las enfermedades cardiovasculares tienen cada vez más presencia. Ello potencia la necesidad de disponer de diferentes alternativas para monitorizar a los pacientes, o para que las propias personas dispongan de herramientas que les permitan controlar su estilo de vida. Algunos trabajos realizados anteriormente demuestran que el uso de sistemas fotónicos supone una alternativa no invasiva e interesante para la medida de ritmo cardíaco, para su utilización en entornos críticos, entendidos como aquellos en los que se deben evitar las interferencias electromagnéticas, como en la resonancia magnética o en los aviones. De la misma manera, existe la necesidad de disponer de alternativas que estén alineadas con la siguiente generación de comunicaciones, 5G, en el marco del internet de las cosas o Internet of Things (IoT), con el fin de que el usuario pueda interactuar con el sistema de manera sencilla y cómoda. En el presente trabajo se propone una alternativa no invasiva para la monitorización del ritmo cardíaco, haciendo uso del fenómeno de moteado o speckle que tiene lugar cuando se utilizan fuentes de luz coherentes. Para ello, se empleará fibra óptica de plástico (POF, Plastic Optical Fiber) como elemento sensor que se puede integrar en un chaleco, se inyectará luz de un láser a la fibra POF y se recogerá la información mediante una cámara en el otro extremo de la fibra. El sistema incluirá un enlace de comunicaciones mediante Bluetooth Low Energy (BLE) con una aplicación en Android, donde se podrá observar el ritmo cardíaco del usuario en tiempo real. El presente sistema incluye también cierto nivel de gestión de la información de consumo, pudiendo el usuario conocer el nivel de batería del equipo en todo momento mediante la misma aplicación. Por tanto, el sistema propuesto es un dispositivo integrable en un ponible o wearable. El resultado de este trabajo es un sistema capaz de obtener medidas fiables de vibraciones mecánicas generadas por un zumbador que emula el ritmo cardíaco, con una interacción sencilla por parte del usuario y una comunicación con cierto grado de robustez. Este proyecto ha sido financiado por varios proyectos: Sensores e Instrumentación en Tecnologías Fotónicas (SINFOTON-CM, Ref: S2013/MIT-2790), SINFOTON2-CM Ref: S2018/NMT-4326 y GREENFIBER Ref: TEC2015-63826-C3-2-R. Last years, non-contagious diseases have increased their presence in developed countries, where cardiovascular diseases have a special relevance. Hence, it is necessary to be able to choose between different alternatives for patient monitoring, or for the people to be able to control their lifestyle. Previous research shows that the use of photonic technology for heart rate monitoring entail an unobtrusive and interesting method for its usage in high electromagnetic interference (EMI) environments, such as magnetic resonance imaging (MRI). In the same way, it is necessary to propose alternatives consistent with next mobile generation 5G and Internet of Things (IoT), so as there are designed user-friendly systems and applications with good communications capability. In this project, an unobtrusive heart rate monitoring technique is proposed, based on speckle phenomena from coherent light sources. For this to take place, it is used a plastic optical fiber (POF) as a sensor device that can be embedded in a vest, along with a laser as a light source and a camera as a receiver. This system implements a Bluetooth Low Energy (BLE) communication system which sends the sensory information to an Android application, where the user’s heart rate is monitored in real time. Furthermore, an energy management system is designed and implemented, so the user knowns at every time the battery level of the system. Overall, the system designed is intended to operate as a wearable device. The result of this work is a reliable system that can be embedded in a wearable for heart rate-like perturbations monitoring (emulated with a buzz), implementing an easy-to-use user interface and a robust communication. This project has been partially financed by grants Photonics Technologies for Sensing and Instrumentation (SINFOTON-CM, Ref: S2013/MIT-2790), SINFOTON2-CM Ref: S2018/NMT-4326 and GREENFIBER Ref: TEC2015-63826-C3-2-R. Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

En octubre de 2018 se aprobó la Ordenanza de Movilidad Sostenible para la ciudad de Madrid, en la cual se limita la velocidad a la que pueden circular los patines y patinetes 1 por las aceras y zonas peatonales . El presente documento plantea una posible solución para los patinadores ante esta nueva normativa. Esta solución se basa en un sistema de iluminación y navegación for- mado por un circuito y una aplicación móvil para Android. El circuito que hará la función de sistema de iluminación se comunicará vía Bluetooth con una aplicación móvil para Android que hará la función de sistema de navegación. El objetivo del proyecto, ademas de indicarle al usuario si puede circular por zonas peatonales o no, es hacer que circule de una manera más segura aumentado su visibilidad para otros usuarios y para si mismo y proporcionando al usuario una manera rápida para saber si esta excediendo el limite. De esta manera el usuario puede circular tranquilamente sin la duda de si estará respetando la normativa. Desde la aplicación el usuario podrá conectarse vía Bluetooth y encender o apagar el sistema de iluminación, ademas podrá ver su velocidad actual y la ruta recorrida en un mapa. A su vez el sistema de iluminación consta de un LED rojo y uno verde que, de manera autónoma, le indicaran al usuario si la velocidad a la que circula es la adecuada para ir por zonas peatonales. In October 2018, a new mobility ordinance for the city of Madrid was approved, limi- ting the speed at which skates and scooters can circulate along sidewalks and pedestrian 2 zones . This document proposes a possible solution for the skaters for this new regulation. This solution is based on a lighting and navigation system consisting of a circuit and a mobile application for Android. The circuit that will make the function of lighting system will communicate via Bluetooth with a mobile application for Android that will act as the navigation system. The objective of the project, in addition to indicating to the user if it can circulate in pedestrian zones or not, is to have them circulate in a safer way, increasing their visibility for other users and for themselfs and providing the user with a quick way to know if they’re exceeding the limit. This way the user can circulate quietly without the doubt of whether they will be respecting the regulations. From the application the user can connect via Bluetooth and turn on or ofΓthe lighting system, in addition the users can see their current speed and the route traveled on a map. The lighting system consists of red and green LEDs that, in an autonomous way, will indicate to the user if the speed at which it circulates is adequate to go through pedestrian zones. Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

La memoria presente recoge un análisis realizado sobre los parámetros característicos que compone la marcha humana y la marcha humana patológica, por lo que se centrará en parámetros recogidos del tren inferior de los usuarios. El objetivo principal de este trabajo es el análisis de los parámetros característicos de la marcha permitiéndonos diferenciarlo de la marcha patológica y facilitar de esta manera la detección de patologías, de manera más rápida y fácil, para el paciente y para el especialista. Para ello se ha desarrollado una base de datos en la que almacenaremos todos los paseos de los usuarios (con patologías o sin ellas). La captura de paseos se realizará mediante unos sensores de captura de movimiento, y se tomarán dos tipos de muestras, la primera será un paseo normal y en la segunda se incluirá un dispositivo inmovilizador tipo alza en uno de los pies simulando el pie zambo o pie equino varo. Por tanto, podemos definir como objetivos secundarios: La parametrización de los paseos en los que se simula la patología del pie equino. La parametrización de los paseos en los que los usuarios sufren otra patología distinta al pie equino. Comprobar si los parámetros capturados durante la marcha normal y la marcha patológica son detectables Clasificar los parámetros capturados mediante algoritmos de Machine Learning. This report contains an analysis of the characteristic parameters of human and pathological gait, and will therefore focus on parameters collected from the undercarriage of users. The main objective of this work is the analysis of the characteristic parameters of gait allowing us to differentiate it from pathological gait and thus facilitate the detection of pathologies, in a faster and easier way, for the patient and for the specialist. To this end, a database has been developed in which we will store all user walks (with or without pathologies). The capture of walks will be carried out by means of movement capture sensors, and two types of samples will be taken, the first will be a normal walk and the second will include an immobilising device such as a lift in one of the feet simulating the clubfoot or clubfoot. Therefore, we can define as secondary objectives: The parameterization of the walks in which the pathology of the clubfoot is simulated. The parametrization of the walks in which the users suffer another pathology different from the equine foot. Check whether the parameters captured during normal gait and pathological gait are detectable. Classify the captured parameters using Machine Learning algorithms. Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

En este documento se recogen los resultados de un estudio cuyo objetivo principal es analizar la viabilidad de un sistema de localización en interiores basado en comunicaciones inalámbricas (concretamente Bluetooth). El análisis se centra en conocer en profundidad los pros y contras de emplear este tipo de tecnología para tal fin. En primer lugar, se estudiarán los entresijos del protocolo Bluetooth Smart/Bluetooth Low Energy y los sistemas de localización en interiores, exponiéndose a su vez las razones principales por las que se emplean hoy en día y los diferentes proyectos basados en ellos llevados a cabo en los últimos años. Posteriormente, se diseñará un sistema de localización simple basado en este protocolo. Este consta de dos partes principales: un emisor (encargado de enviar una señal con información aleatoria) y un receptor (encargado de reconocer al emisor y medir la potencia con la que recibe su señal). El hardware de ambos componentes del sistema consiste en dos placas de desarrollo idénticas que incluyen, entre otros, un módulo bluetooth y un microcontrolador ARM de 32 bits. Tras explicar los detalles del diseño del sistema, (placas de desarrollo empleadas, software empleado para la programación de estas y características de las señales Bluetooth con las que se trabaja) se describirá el proceso de desarrollo del mismo, haciendo especial hincapié en el funcionamiento de los códigos en C++ del receptor y el emisor y los resultados obtenidos. Por último, se realizará un análisis de los resultados obtenidos en el apartado anterior. Debido a la inestabilidad de estos (por la fluctuación constante de la potencia de la señal), se llevará a cabo un filtrado estadístico que atenúe el problema. En función de la efectividad de este último y los factores citados al principio del documento se concluirá si el sistema es viable o no. Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

Oxygen concentration determination is of importance across many different industries, biomedical research among them. In biological systems, in vivo oxygen levels vary across a wide spectrum and strongly influence function of cells and tissues. Direct measurements of oxygen tension and its progression in real-time are necessary in order to understand and control cell survival, proliferation and differentation. In this thesis, special attention is payed to skin tissue. An in-depth understanding of these aspects will allow to provide better diagnostic and therapeutic tools for wound care. The general objective of this thesis is to analyze dissolved oxygen concentration in a two-dimensional tissue culture of a keratinocyte cell line (HaCaT) via the development and application to this purpose of an optical sensor. The sensor is based on a metalloporphyrin membrane (PtOEP) that emits a fluorescence signal that is quenched by oxygen in the environment. Images of the membrane are captured using time-lapse microscopy with a filter at the desired wavelength. Average pixel value is then analyzed, as it is directly related to O2 concentration. The porphyrin-based optical sensor developed in this work is proved to be compatible with cell culture. Using this sensor, changes in oxygen concentration in a physiological range can be detected. Dissolved O2 concentration in culture medium is found to decrease at high cell densities as a result of O2 consumption. It is also possible monitor discontinuities in a monolayer of cells by detection of local O2 concentration using this sensor. Ingeniería Biomédica

Impedance biosensors have turned in a special interest as label-free and low cost platforms for real time detection of biological phenomena. The objective of this study was to characterize a given model of an interdigitated electrode sensor (model 1) manufactured by inkjet printing technology over a flexible substrate (PET). This characterization was applied to HaCaT cellular cultures at different confluences in order to distinguish an impedance response first associated with the cellular presence and then proportional to the cellular confluence of such presence. With this aim in mind, impedance spectroscopy principle was employed as the main analysis method. From the empirical impedance response, electrical equivalent circuits were obtained by fitting the empirical values with theoretical circuit’s elements. In addition, inverted and scanning electron microscopes were used in order to visualize the whole process, as a way of ensuring that the electrical changes recorded had a real and relevant biological meaning. Three different conditions were tested over the sensor: culture medium without cells, HaCaT epithelial cells seeded over the sensor at 40% of confluence and at 80% of confluence. Impedance responses were recorded each 2 h during 36 h. Results obtained showed that at some point the cellular presence changed the equivalent electrical circuit when compared with the control measurements performed without cells. This change in the circuit has been associated with the cellular attachment of the cells on the IDE, which, as it was later confirmed by the visualization of the cellular culture, has been identified to take place from 22 h on and coincides with the presence of an additional time constant in the electrical circuit. Moreover, the constant phase element of such equivalent circuits was compared for the three conditions, obtaining that its variation is inversely proportional to the area covered by the cells on the sensor. The main drawback encountered during the process was the noise coming at low frequencies that compromise the measurement from 0,1 Hz to 10 Hz. In conclusion, this work has been useful to prove that IDEs can provide an impedance response associated to cellular presence. Based on the main findings, another setup to reduce the noise was proposed (solution design: model 2) and tested for the following experiments, reporting good results. Ingeniería Biomédica (Plan 2010)

Mención Internacional en el título de doctor THE USE OF Biometrics keeps growing. Every day, we use biometric recognition to unlock our phones or to have access to places such as the gym or the office, so we rely on what security manufacturers offer when protecting our privileges and private life. Moreover, an error in a biometric system can mean that a person can have access to an unintended property, critical infrastructure or cross a border. Thus, there is a growing interest on ensuring that biometric systems work correctly on two fronts: our personal information (smartphones, personal computers) and national security (borders, critical infrastructures). Given that nowadays we store increasing sensitive data on our mobile devices (documents, photos, bank accounts, etc.), it is crucial to know how secure the protection of the phone really is. Most new smartphones include an embedded fingerprint sensor due to its improved comfort, speed and, as manufacturers claim, security. In the last decades, many studies and tests have shown that it is possible to steal a person’s fingerprint and reproduce it, with the intention of impersonating them. This has become a bigger problem as the adoption of fingerprint sensor cell phones have become mainstream. For the case of border control and critical infrastructures, biometric recognition eases the task of person identification and black-list checking. Although the performance rates for verification and identification have dropped in the last decades, protection against vulnerabilities is still under heavy development. There have been cases in the past where fake fingers have been used to surpass the security of such entities. The first necessary step for overcoming these issues is to have a common ground for performing security evaluations. This way, different systems’ abilities to detect and reject fake fingerprints can be measured and compared against each other. This is achieved by standardization and the corresponding certification of biometric systems. The new software and hardware presentation attack detection techniques shall undergo tests that follow such standards. The aim of this Thesis is two-fold: evaluating commercial fingerprint biometric systems against presentation attacks (fake fingers) and developing a new presentation attack detection method for overcoming these attacks. Moreover, through this process, several contributions were proposed and accepted in international ISO standards. On the first matter, a few questions are meant to be answered: it is well known that it is possible to hack a smartphone using fake fingers made of Play-Doh and other easy-to-obtain materials but, to what extent? Is this true for all users or only for specialists with deep knowledge on Biometrics? Does it matter who the person doing the attack is, or are all attackers the same when they have the same base knowledge? Are smartphone fingerprint sensors as reliable as desktop sensors? What is the easiest way of stealing a fingerprint from someone? To answer these, five experiments were performed on several desktop and smartphone fingerprint readers, including many different attackers and fingerprint readers. As a general result, all smartphone capture devices could be successfully hacked by inexperienced people with no background in Biometrics. All of the evaluations followed the pertinent standards, ISO/IEC 30107 Parts 3 and 4 and Common Criteria and an analysis of the attack potential was carried out. Moreover, the knowledge gathered during this process served to make methodological contributions to the above-mentioned standards. Once some expertise had been gathered on attacking fingerprint sensors, it was decided to develop a new method to detect fake fingerprints. The aim was to find a low-cost and efficient system to solve this issue. As a result, a new optical system was used to capture fingerprints and classify them into real or fake samples. The system was tested by performing an evaluation using 5 different fake finger materials, obtaining much lower error rates than those reported in the state of the art at the moment this Thesis was written. The contributions of this Thesis include: • • Improvements on the presentation attack detection evaluation methodology. • • Contributions to ISO/IEC 30107 - Biometric presentation attack detection - Part 3: Testing and reporting and Part 4: Profile for evaluation of mobile devices. • • Presentation attack detection evaluations on commercial desktop and smartphone fingerprint sensors following ISO/IEC 30107-3 and 4. • • A new low-cost and efficient optical presentation attack detection mechanism and an evaluation on the said system. EL USO DE la Biometría está en constante crecimiento. Cada día, utilizamos reconocimiento biométrico para desbloquear nuestros teléfonos o para tener acceso a lugares como el gimnasio o la oficina, por lo que confiamos en lo que los fabricantes ofrecen para proteger nuestros privilegios y nuestra vida privada. Además, un error en un sistema biométrico puede significar que una persona pueda tener acceso a una propiedad no debida, a una infraestructura crítica o a cruzar una frontera. Por lo tanto, existe un interés creciente en asegurar que los sistemas biométricos funcionen correctamente en dos frentes: nuestra información personal (teléfonos inteligentes, ordenadores personales) y la seguridad nacional (fronteras, infraestructuras críticas). Dado que hoy en día almacenamos cada vez más datos sensibles en nuestros dispositivos móviles (documentos, fotos, cuentas bancarias, etc.), es crucial saber cómo de segura es realmente la protección del teléfono. La mayoría de los nuevos teléfonos inteligentes incluyen un sensor de huellas dactilares integrado debido a su mayor comodidad, velocidad y, como afirman los fabricantes, seguridad. En las últimas décadas, muchos estudios y pruebas han demostrado que es posible robar la huella dactilar de una persona y reproducirla, con la intención de hacerse pasar por ella. Esto se ha convertido en un problema mayor a medida que la adopción de los teléfonos celulares con sensor de huellas dactilares se ha ido generalizando. En el caso del control fronterizo y de las infraestructuras críticas, el reconocimiento biométrico facilita la tarea de identificación de las personas y la comprobación de listas negras. Aunque las tasas de rendimiento en materia de verificación e identificación han disminuido en las últimas décadas, la protección antifraude todavía está bajo intenso desarrollo. Existen casos en los que se han utilizado dedos falsos para vulnerar la seguridad de dichas entidades. El primer paso necesario para superar estos problemas es contar con una base común desde la que realizar evaluaciones de seguridad. De esta manera, se pueden medir y comparar las capacidades de los diferentes sistemas para detectar y rechazar huellas dactilares falsas. Esto se consigue mediante la estandarización y la correspondiente certificación de los sistemas biométricos. Las nuevas técnicas de detección de ataques de presentación de software y hardware deben someterse a pruebas que se ajusten a dichas normas. Esta Tesis tiene dos objetivos: evaluar los sistemas biométricos de huellas dactilares comerciales contra ataques de presentación (dedos falsos) y desarrollar un nuevo método de detección de ataques de presentación para disminuir la eficacia de estos ataques. Además, a través de este proceso, se propusieron y aceptaron varias contribuciones en las normas internacionales ISO. Sobre el primer asunto, hay que responder algunas preguntas: es bien sabido que es posible hackear un teléfono inteligente con dedos falsos hechos de Play-Doh y otros materiales fáciles de obtener, pero ¿hasta qué punto? ¿Es esto cierto para todos los usuarios o sólo para los especialistas con un profundo conocimiento de la Biometría? ¿Importa quién es la persona que realiza el ataque, o todos los atacantes son iguales cuando parte de la misma base de conocimiento? ¿Son los sensores de huellas dactilares de los teléfonos inteligentes tan fiables como los de sobremesa? ¿Cuál es la manera más fácil de robar una huella digital a alguien? Para responder estas preguntas, se realizaron cinco experimentos en varios lectores de huellas dactilares de escritorio y de teléfonos inteligentes, incluyendo muchos atacantes y lectores de huellas dactilares diferentes. Como resultado general, todos los dispositivos de captura pudieron ser hackeados con éxito por personas sin experiencia en Biometría. Todas las evaluaciones siguieron las normas pertinentes, ISO/IEC 30107 Partes 3 y 4 y Common Criteria y se llevó a cabo un análisis del potencial de ataque. Además, los conocimientos adquiridos durante este proceso sirvieron para aportar una contribución metodológica a las normas mencionadas. Una vez adquiridos algunos conocimientos sobre ataques a sensores de huellas dactilares, se decidió desarrollar un nuevo método para detectar huellas falsas. El objetivo era encontrar un sistema de bajo coste y eficiente para resolver este problema. Como resultado, se utilizó un nuevo sistema óptico para capturar las huellas dactilares y clasificarlas en muestras reales o falsas. El sistema se probó mediante la realización de una evaluación utilizando 5 materiales de dedos falsos diferentes, obteniendo tasas de error mucho más bajas que las reportadas en el estado del arte en el momento de redactar esta Tesis. Las contribuciones de esta Tesis incluyen: • • Mejoras en la metodología de evaluación de detección de ataques de presentación. • • Contribuciones a “ISO/IEC 30107 - Biometric presentation attack detection - Part 3: Testing and reporting” y “Part 4: Profile for evaluation of mobile devices”. • • Evaluaciones de detección de ataques de presentación en sensores de huellas dactilares comerciales de escritorio y de teléfonos inteligentes siguiendo la norma ISO/IEC 30107-3 y 4. • • Un nuevo y eficiente mecanismo óptico de detección de ataques de presentación, de bajo coste, y una evaluación de dicho sistema. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Enrique Cabello Pardos.- Secretario: Almudena Lindoso Muñoz.- Vocal: Patrizio Campisi

Mención Internacional en el título de doctor The potential of Optical Frequency Combs as multimode sources featuring unprecedented high levels of accuracy, high resolution and broad bandwidth has rendered these instruments into one of the preferred tools across an everincreasing range of disciplines. To fully capitalize on these astonishing virtues, one of the most successful approaches in recent years is the so-called dual-comb technique, or in a more general sense, dual-comb spectroscopy. The rationale of this method for comb detection lies in the employment of a second Optical Frequency Comb with different line spacing to simultaneously access to the whole spectral content of its counterpart, thus allowing for ultra-fast measurements (usually below one second) without sacrificing any of the outstanding capabilities of the Optical Frequency Combs. Nevertheless, in spite of the astounding development that dual-comb architectures have undergone in the past decade, advancements in terms of simplicity, robustness, associated cost, reduced footprint and adaptability to the target application are still underway. In order to address this set of limitations, this Ph.D dissertation explores new possibilities for dual-comb spectroscopy and demonstrates their potential by means of several contributions across the most spectroscopically relevant regions of the electromagnetic spectrum (i.e., Near-Infrared, Mid-Infrared and the THz range). In particular, special emphasis has been laid on two aspects: the reduction in the design complexity regardless of the spectral region; and the external customization of the main set of parameters that dictate the performance of the sources so that they can easily fit the application of interest. For that purpose, different commercial off-the-shelf components, laser devices and well-established interdisciplinary techniques have been employed to establish synergies that have helped to increase the proficiency of these systems. The present work has unveiled the first demonstrations of Near-Infrared (1.5 μm) dual-comb spectrometers whose operating principle stems from Gain- Switching in semiconductor lasers together with Optical Injection Locking and has further harnessed the use of the latter technique for the implementation of a novel multiheterodyne setup that relies on electro-optic modulation for remote comb detection. In a different original contribution, Near-Infrared dual-combs based on electro-optic modulation have been successfully shifted to the Mid-Infrared region via nonlinear mixing in a single periodically-poled lithium niobate crystal for ultra-fast absorption spectroscopy in the 3.5 μm region. Moreover, the use of large signal modulation has been applied to a single-mode Distributed Feedback Quantum Cascade Laser emitting at 7.5 μm to demonstrate the generation of coherent multiharmonic signals with adaptable line spacing for the first time in this kind of device. Finally, an innovative architecture based on electro-optic modulation and Optical Injection Locking has been devised for the photonic synthesis of THz dual-combs featuring a series of unprecedented characteristics in this spectral domain. This collection of schemes and methods have been successfully validated with a number of spectroscopic samples that exhibit different properties, from low-pressure gases (hydrogen cyanide or methane) and fibre Bragg grating sensors to electronic microwave filters, thus demonstrating the versatility of the proposed systems. In summary, most of the efforts in this thesis have been devoted to the development of dual-comb architectures in the main spectral windows of interest for the scientific community, with special emphasis on flexible designs aimed to cater towards the requirements of a wide range of applications that may enable their eventual adoption beyond metrology laboratory environments. El potencial de los peines de frecuencias ópticas como fuentes multimodo caracterizadas por su alta resolución, extenso ancho de banda o excepcional nivel de precisión ha permitido que estos instrumentos se hayan convertido en una de las herramientas preferidas para un número de disciplinas cada vez mayor. Con el fin de explotar estas virtudes, uno de los métodos que más éxito ha tenido en los últimos años consiste en la técnica de los peines duales (dual-combs), o, dicho de forma más común, espectroscopía con peines duales (dual-comb spectroscopy). Esta técnica para detección de peines de frecuencias ópticas se fundamenta en la utilización de un segundo peine con un espaciado en frecuencia distinto para acceder de forma simultánea a la totalidad del contenido espectral del primero, permitiendo así medidas ultrarrápidas (normalmente, por debajo de 1 segundo) sin la necesidad de sacrificar ninguna de las sobresalientes aptitudes que son características de los peines de frecuencias ópticas. No obstante, a pesar del gran desarrollo que las arquitecturas dual-comb han experimentado en la última década, existe todavía un gran número de avances en términos de simplicidad, robustez, coste asociado, tamaño y adaptabilidad a la aplicación de interés que se encuentran todavía en pleno desarrollo. Con el objetivo de abordar estas limitaciones, esta Tesis Doctoral explora nuevas posibilidades para dual-comb spectroscopy y demuestra el potencial de las mismas a través de contribuciones a lo largo y ancho de las regiones del espectro electromagnético con más relevancia en términos espectroscópicos (es decir, Infrarrojo Cercano, Infrarrojo Medio y el rango de los THz). En particular, se ha hecho especial énfasis en dos aspectos: la reducción de la complejidad asociada al diseño con independencia de la región espectral, y la posibilidad de modificación externa del conjunto de parámetros que definen las propiedades de las fuentes ópticas, de tal manera que éstas puedan ajustarse fácilmente a la aplicación de interés. Con este fin, diversos componentes comerciales, dispositivos láseres y técnicas interdisciplinarias consolidadas han sido empleadas para crear sinergias que han permitido el desarrollo de las facultades de estos sistemas. Expuesto lo anterior, el presente trabajo ha revelado las primeras demostraciones de espectrómetros dual-comb en Infrarrojo Cercano (1.5 μm) cuyo principio de operación reside en la técnica Gain-Switching en láseres de semiconductor junto con inyección óptica y, además, ha explotado la última de estas técnicas para la implementación un nuevo esquema multiheterodino basado en modulación electro-óptica para la detección remota de peines de frecuencia óptica. Además, en otra contribución original, se ha llevado a cabo la transferencia de dual-combs basados en modulación electro-óptica desde el Infrarrojo Cercano hacia el Infrarrojo Medio a través de un proceso de mezclado no lineal en un único cristal periódicamente invertido de niobato de litio para realizar espectroscopía de absorción ultrarrápida en torno a 3.5 μm. Asimismo, el uso de modulación en gran señal se ha aplicado a un láser de cascada cuántica monomodo con emisión a 7.5 μm para demostrar la generación de señales multiarmónicas coherentes con un espaciado en frecuencia adaptable por primera vez en este tipo de dispositivos. Por último, se ha diseñado una arquitectura innovadora basada en modulación electro-óptica e inyección óptica para la síntesis fotónica de dual-combs en la región de los THz con una serie de características no vistas hasta la fecha en este dominio espectral. Esta colección de sistemas y métodos ha sido exitosamente validada por medio de una serie de muestras espectroscópicas que exhiben propiedades muy distintas, desde gases a baja presión (como ácido cianhídrico o metano) y sensores basados en redes de Bragg en fibra óptica hasta filtros electrónicos de microondas, demostrando, de esta manera, la versatilidad de los sistemas propuestos. En definitiva, el trabajo principal de esta Tesis se ha dedicado al desarrollo de arquitecturas dual-comb en las principales regiones espectrales de interés para la comunidad científica, poniendo el acento sobre la realización de diseños flexibles orientados a satisfacer los requerimientos de un amplio número de aplicaciones que puedan permitir la eventual adopción de dichos sistemas más allá de los laboratorios de investigación. Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Viktor Krozer.- Secretario: Ángel Valle Gutiérrez.- Vocal: Scott B. Papp

Este proyecto consiste en el diseño de un convertidor analógico-digital basado en un oscilador controlado por tensión escalando la tecnología a 65 nm. El escalado de la tecnología presenta numerosos efectos en los circuitos analógicos y digitales. Los circuitos digitales se benefician ya que con el escalado se vuelven más rápidos, más eficientes energéticamente y ocupan menos área. Por otra parte, el diseño de circuitos analógicos se vuelve mas complicado con este escalado ya que varían las ganancias intrínsecas de los transistores, aumenta el ruido entre nodos debido a las distancias más cortas, etc. En este documento se exponen y se describen los modelos en el que se basan este tipo de convertidores, para posteriormente, realizar el diseño de un oscilador en anillo, que funciona como bloque integrador y cuantificador del convertidor analógico-digital y el diseño del bloque derivador del convertidor, implementado a partir de circuitos digitales. Posteriormente se describen los circuitos diseñados en la herramienta Virtuoso Cadence para a continuación hacer un análisis de sensibilidad frente al ruido en el oscilador en anillo. This project consists of the design of a voltage-controlled oscillator based analog-to-digital converter scaling down the technology to 65 nm. Scaling down the technology implies numerous effects in both analog and digital circuits. The digital circuits benefit from the scale down because they become faster, more energy efficient and occupy less area. On the other hand, analog circuit design becomes more complicated because the scale down modifies the intrinsic gain of the transistors, it raises the noise between nodes because of the closer distances, etc. In this document are exposed and described the model in which this type of converters are based on, in order to later, design the ring oscillator, which works as a integrator and quantizer block of the analog-to-digital converter, and the design of the differentiator block, implemented by digital circuits. Next the designed circuits on the Virtuoso Cadence tool are described in order to do a noise sensibility analysis on the ring oscillator. Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

El trabajo que se va a presentar a lo largo del siguiente documento consistirá principalmente en poder comprobar si una base de datos dada puede ser analizada para distinguir a diferentes usuarios a través de mediciones de su pisada con un dispositivo móvil. Dicha base de datos estará compuesta por las aceleraciones en los tres ejes y el tiempo que transcurre entre una muestra y otra. Cada usuario tendrá un número determinado de pruebas realizadas en distintos escenarios. Para ello será necesario un preprocesamiento, tratamiento y adaptación de los datos a formatos específicos, lo cual llevará gran parte del desarrollo de la memoria para así después poder introducirlos en un programa de minería de datos llamado WEKA. Con este programa se pretende, a través de la elección de distintos clasificadores basados en algoritmos de machine learning, clasificar todas las instancias de la base de datos y obtener el porcentaje de acierto o correspondencia con cada usuario. Por último, cabe destacar la novedad de este trabajo, ya que trata acerca de un tema no muy estudiado en profundidad en la actualidad, lo cual deja muchas posibles opciones de estudios futuros. The following End-Of-Degree-Project that will be presented throughout this document will test whether a given database can be analyzed to distinguish different individuals through measurements of their gait with a mobile device. This database will be composed of the accelerations in the three axes and the time between one sample and another. Each user will have a certain number of tests carried out in different scenarios. This will require pre-processing, processing and adaptation of the data to specific formats, which will take much of the development of this document. Afterwards, all the data will be introduced into a data mining program which is called WEKA. Through the selection of different classifiers based on machine learning algorithms, the aim of this program is to classify all the instances of the database and obtain the percentage of success or correspondence with each user. Finally, it is worth mentioning the innovation of this work, since it deals with a subject that has not been studied in depth at present, which leaves many possible options for future studies. Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

En los últimos años el aumento del consumo global de energía eléctrica ha continuado creciendo, sin embargo, en este mismo periodo la sociedad ha consolidado una mayor conciencia medioambiental, a la vez que sea comenzado a barajar una futura escasez de recursos energéticos derivados de los combustibles fósiles. Estas tendencias han dado lugar a numerosas investigaciones centradas en fuentes de energía limpias y renovables, como son la energía eólica, la energía solar, la energía hidráulica, la energía undimotriz, o la energía basada en la utilización de biomasa. En este entorno de profundización en el uso y la utilización eficiente de las energías limpias, la investigación contenida en este documento de tesis doctoral se ha centrado en el ámbito de la energía solar fotovoltaica. De entre las principales ventajas de la energía solar fotovoltaica, cabe destacar que se trata de una fuente de energía limpia e inagotable, con gran disponibilidad, que no emite gases en la generación de energía eléctrica, etc. Además, las instalaciones fotovoltaicas destacan por su fiabilidad, su bajo coste de operación y mantenimiento, y que no producen contaminación acústica, ya que no genera ruido. Por el contrario, las principales desventajas que presentan las instalaciones fotovoltaicas son la elevada inversión inicial, la superficie requerida y la limitación geográfica, dado que se precisa de zonas con alta irradiación solar. Más allá de las desventajas mencionadas, las instalaciones fotovoltaicas sufren un problema adicional de gran importancia, relacionado con la reducción de la potencia generada debido a los desajustes entre los paneles fotovoltaicos. Dichos desajustes pueden ser ocasionados por diferencias constructivas entre los paneles fotovoltaicos, diferencias térmicas durante la operación, envejecimiento o diferente grado de irradiancia o irradiación solar. Para maximizar la potencia generada independientemente de los desajustes entre paneles fotovoltaicos, en las instalaciones fotovoltaicas se emplea generalmente un tipo de arquitectura en la que se asocia un convertidor CC-CC a cada panel fotovoltaico. El convertidor CC-CC tiene una doble función, por un lado, hace trabajar al panel fotovoltaico en su punto de máxima potencia, permitiendo obtener la potencia máxima de dicho panel, con las condiciones de temperatura e irradiancia particulares del mismo. Por otro lado, aísla al panel fotovoltaico del resto de paneles fotovoltaicos, impidiendo que cualquier fallo o diferencia en alguno de los otros paneles fotovoltaicos, obligue a reducir la potencia generada por el panel fotovoltaico al que está conectado el convertidor. Este tipo de arquitectura se conoce como arquitectura con seguimiento del punto de máxima potencia distribuido (DMPPT). Dado el gran número de paneles fotovoltaicos empleados en una instalación fotovoltaica, para poder implementar la arquitectura con seguimiento del punto de máxima potencia distribuido, se precisarán también un gran número de convertidores CC-CC. Por lo tanto, para que la solución sea viable y rentable económicamente, y se consiga la mayor flexibilidad posible en el diseño de las instalaciones fotovoltaicas, se requieren convertidores CC-CC que presenten las siguientes prestaciones: elevada potencia, bajo coste, alta fiabilidad y capacidad para reducir y elevar tensiones. En el presente documento de tesis se profundiza en el estudio de este tipo de convertidores, y se propone una nueva familia de convertidores CC-CC para su aplicación a instalaciones fotovoltaicas conectadas a red, que cumplen con las prestaciones anteriormente mencionadas. La familia de convertidores consta de tres convertidores diferentes, aunque todos ellos comparten la misma raíz topológica. Estos convertidores se analizan y estudian en el dominio del tiempo y de la frecuencia, se diseñan para cumplir con unas especificaciones establecidas, se simulan, se validan experimentalmente, y finalmente se comparan. La memoria de esta tesis se ha estructurado en ocho capítulos, tal y como se describe a continuación: Capítulo 1. Este capítulo tiene por objeto describir las motivaciones y objetivos del presente trabajo de investigación, así como de presentar las particularidades del campo de aplicación en el cual se plantea la investigación. Capítulo 2. En este capítulo se realiza el estudio del estado de la técnica, centrado en las soluciones actualmente disponibles en la literatura, referentes a los convertidores CC-CC aplicados en instalaciones FV con arquitectura DMPPT. Capítulo 3. En este capítulo se introduce la familia de convertidores propuesta. Se describen las características comunes de los convertidores que forman la familia, así como sus diferencias topológicas. Capítulo 4. En este capítulo se presenta y analiza el convertidor Reductor-Elevador Forward-Serie Modificado (BBMSF). El análisis se ha realizado tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia, incluyendo el principio de funcionamiento y la validación experimental. Además, en este capítulo se presenta el caso de estudio empleado para el diseño de los prototipos de los tres convertidores de la familia propuesta. Capítulo 5. En este capítulo se presenta y analiza el convertidor Forward-Flyback con Autotransformador (AFF). El análisis se ha realizado tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia, incluyendo el principio de funcionamiento y la validación experimental. Capítulo 6. En este capítulo se presenta y analiza el convertidor Forward con Autotransformador y desmagnetización resonante tipo Zeta (AFZ). El análisis se ha realizado tanto en el dominio del tiempo, con y sin inductancia de dispersión del autotransformador, como de la frecuencia, incluyendo el principio de funcionamiento y la validación experimental. Capítulo 7. En este capítulo se comparan las prestaciones de los tres convertidores de la familia propuesta, tanto analíticamente como sus resultados experimentales. Capítulo 8. En este capítulo se presentan las conclusiones de la memoria de la tesis y se proponen futuras líneas de investigación. También se detallan otras aportaciones relacionadas con la tesis doctoral. Capítulo 9. En este capítulo se detallan todas las referencias empleadas a lo largo del documento de tesis. Capítulo 10 - Anexos. En este capítulo, se incluyen los dos anexos de la memoria de tesis. El primero de ellos se centra en el diseño del driver, mientras que el segundo se centra en el diseño del sensor de corriente, ambos empleados en los prototipos de los convertidores de la familia propuesta. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Gabriel Garcerá Sanfeliú.- Secretario: José Ignacio León Galván.- Vocal: Diego González Lamar

En este trabajo se han desarrollado diferentes diseños de fuentes de alimentación de bajo ruido orientados a su uso en sistemas que operan con diodos láser, utilizando dos modos de alimentación, por regulador de tensión lineal y por convertidor de conmutación CC-CC. Para ello, se establecen unos requisitos básicos de diseño que puedan cumplir con los principales objetivos del proyecto y se realizan las circuiterías electrónicas adecuadas para obtener el menor nivel ruido posible en el producto final. Mediante un dispositivo de medida específico se verifica el nivel de ruido que es capaz de generar cada una de las fuentes de alimentación diseñadas. Todos los diseños se enfocan en alimentar sistemas que operan a altas frecuencias y que requieren gran estabilidad en su operación, como pueden ser las tecnologías de ondas milimétricas o la interferometría óptica. Aunque también pueden emplearse en bandas de frecuencias más bajas dado que no presentan ningún inconveniente para estos sistemas. In this Project different designs of low noise power supply have been developed to supply power to systems which operate with laser diodes, using two modes of supplying, by linear voltage regulator and by power switched converter DC-DC. For this purpose, basics design requirements are established which allows achieve the fundamental aim of the project and appropriate electronics circuits are made to get the lowest level of noise as possible in the final product. With a specific measure device, it is verified the level of noise which can generate each of the designed power supply. All designs are focused on supplying high frequency systems which require stability in their operation, like it can be millimeter wave technologies or optical interferometry. Although they can also be used in lower frequencies bands since they do not cause any inconvenience to these systems. Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

Hoy en día existen diversos problemas a nivel tecnológico relacionados con la medida de distancias y de perfiles debido a la dificultad de acceder a ciertos lugares para realizar estas medidas. Una solución para resolver estos problemas está en la utilización de la tecnología LIDAR (Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging). La tecnología LIDAR se ha estado empleando y se emplea de manera intensiva en diferentes campos, como lo es la cartografía, el campo militar o en el estudio de la atmósfera, campos fuera del alcance del ámbito social, donde se emplean sistemas de altas prestaciones, complejos y de elevado coste. Actualmente los sistemas LIDAR ya no solo se orientan a sistemas de gran coste y dimensiones, sino que se están reduciendo esas características con el objetivo de implantarse en automóviles y drones. De esta forma, los sistemas LIDAR se pueden convertir en un bien común al alcance de la mayor parte de la sociedad. El principio de funcionamiento de LIDAR es la emisión de luz mediante rápidos pulsos de disparo de luz láser sobre una superficie u objeto que refleja parte de la luz incidente. Posteriormente se mide el tiempo que tardan esos fotones en volver al emisor. Este tiempo se denomina tiempo de vuelo. Es un reto el poder medir este tiempo de vuelo con señales de vuelta muy débiles de forma eficiente y a niveles de funcionalidad y coste. En este principio se basa la tecnología LIDAR con la que es posible calcular grandes distancias entre un objetivo con gran precisión. A lo largo de este trabajo se va a explorar el uso de las técnicas de detección y amplificación denominadas Lockin con el objetivo de estudiar una implementación que permita que la tecnología LIDARs sea accesible a nivel de coste, tamaño y complejidad. Esto permitirá que pueda ser aplicada en nuevos ámbitos donde factores como el bajo consumo de energía, el peso, las dimensiones o el bajo coste sean cruciales. Durante el trabajo se propondrá un sistema que posee la configuración propia de un LIDAR. Se diseñará un circuito emisor que emitirá potencia óptica por medio de un diodo láser comercial al ambiente y un circuito receptor donde se utilizará un fotodiodo APD para recibir esta potencia óptica. Posteriormente se adquirirá la respuesta del APD mediante una tarjeta de NI de bajo coste y mediante LabView, software implantado en muchos sectores, se implementará una interfaz con las técnicas de detección utilizadas por un Amplificador Lockin. Se estudiará si la respuesta de este entorno de detección de bajo coste es eficaz para utilizarlo en la tecnología LIDAR. Nowadays, it exists many technology problems related with measuring distances and profiles, due to the difficulty of accessing certain places to perform these kinds of actions. One solution to these problems is using LIDAR (Light Detection and Ranging or Laser Imaging Detection and Ranging). Technology LIDAR has been used in an intensive way in many fields, such as the study of the atmosphere, cartography and military field, areas that are far away from the daily social life where it is used high-cost, complex and high-performance systems. Currently LIDAR systems are not only oriented to systems with a high cost and big projects, they are also decreasing to be implemented in vehicles and drones. In this way, Lidar systems can be made into common good for almost everyone. The operating principle of LIDAR is to emit light through fast laser light pulses, over a surface that reflects a portion of the incident light. After that time, it is measured the time that those photons take to go back to the emisor. We call it flying time. It is important to be able to measure the flying time with very weak signals that go back in an efficient, functional and cheap manner, which is a challenging task. Lidar technology is based with this principle, which makes possible compute big distances between two targets up with high accuracy. Along this work it will be explored the use of Lockin amplifiers detection techniques aiming to making an implementation of the LIDAR project which allow to be available at cost, length and complex level. This will permit that it can be implemented in new areas where factors like low power consumption, weight, dimensions or a low-cost can be crucial. During this work it will be proposed a system that has a LIDAR configuration. It will be designed an emisor circuit that will allow transmit an optical power through a laser to the environment and a receiver circuit in which will be used an APD photodiode to collect this optical power. Then, it will be acquired APD answer through a low-cost NI card and LabView, software implemented in a lot of fields of work, it will be implemented an interface with techniques used by an Amplificador Lockin. Finally, it will be studied if this answer of this low-cost environment is efficient to use it in Lidar technology. Ingeniería Electrónica Industrial y Automática (Plan 2008)

La detección de fugas ha sido un área de gran interés en el sector industrial, más en concreto sobre el transporte de petróleo y gases, teniendo en cuenta los costos ambientales, económicos y sociales. Debido al avance que ha sufrido la radiometría infrarroja en la historia, se ha desarrollado en este proyecto un estándar del protocolo de comunicación para sensores IR de distintos fabricantes. El siguiente informe enfoca su principal objetivo en el desarrollo de un protocolo de comunicación estándar para el control de sensores IR. La implementación del protocolo consiste en una interfaz directa entre el host y un microcontrolador mediante la comunicación UART, de tal forma que independientemente del tipo de sensor que se conecte se asegure la llegada correcta de la información para poder ser decodificada. Del mismo modo, el tipo de comunicación posterior con el sensor no influye en el protocolo establecido. The leak detection has been an area of great interest in the industrial sector, more specifically about the transport of oil and gases, taking into account environmental, economic and social costs. Due to the advance that infrared radiometry has suffered in the history, a study on the standard communication protocol for IR sensors from different manufacturers has been carried out in this project. The following report focuses on its main objective on the development of a standard communication protocol for the control of IR sensors. The protocol implementation consists of a direct interface between the host and a microcontroller through UART communication. So that independently of the type of sensor that is connected, the correct arrival of the information to be decoded is ensured. In the same way, the type of subsequent communication with the sensor does not influence in the established protocol. Ingeniería Electrónica Industrial y Automática (Plan 2008)