Vid avdelningen för signaler och system bedrivs forskning och utbildning inom den del av informationsteknologin som med internationella termer kallas för "Electrical Engineering". Avdelningen har en bred kompetens vilken är både teoretiskt och experimentellt inriktad. Vi är verksamma inom signalbehandling, telekommunikation, oförstörande materialprovning, lärande system, mikrovågsteknik och reglerteknik. Dominerande anslagsgivare är SSF Vinnova, Vetenskapsrådet och EU. Forskningen sker ofta i samarbete med företag och universitet inom och utom landet.

Avdelningen ansvarar för ett stort antal kurser inom den grundläggande utbildningen, främst inom civilingenjörs- och högskoleingenjörsprogrammen. Gruppen ger även ett flertal kurser på distans som lockar deltagare från industri och högskolor i hela landet. Forskarutbildning bedrivs i signalbehandling, reglerteknik och mikrovågsteknik. I samarbete med fasta tillståndets elektronik ges även möjlighet till forskarutbildning i ämnet elektronik.

Organisation

Signaler och system tillhör Tekniska institutionen Ångströmlaboratoriet, som ingår i tekniska sektionen inom Teknisk-naturvetenskaplig fakultet. Förutom tre professorer i ämnena signalbehandling, reglerteknik och mikrovågsteknik finns det 11 lärare och forskare samt 14 doktorander. Den totala omslutningen uppgår till ungefär 18 miljoner kronor varav cirka 7 miljoner kronor kommer från externa anslag.

Forskningsområden

Signalbehandling

Signalbehandling är ett mångsidigt ämne med många tillämpningar. Det kan handla om att tolka eller bearbeta signaler, tidsserier eller mönster vilka kan vara representerade i form av ljud, radiovågor, mänskliga nervimpulser, seismisk aktivitet eller priset på optioner. Insamlade data kan behandlas och omformas med många metoder i syfte att undertrycka störningar, framhäva nyttig information, kombinera signaler från olika källor eller i syfte att tolka och klassificera olika mönster. Till sin hjälp har man en verktygslåda med statistiska metoder med vilken man kan skapa matematiska modeller av de aktuella signalerna och de fenomen de kan ha påverkats av innan de blev insamlade.

Inom statistisk signalbehandling driver gruppen flera projekt. Vi utvecklar ny teori och nya metoder för att bättre kunna filtrera fram viktig information ur kraftigt störda eller förvanskade signaler. Vi samarbetar här med andra forskargrupper både inom och utom landet.

Det pågår också verksamhet inom medicinsk signalbehandling. I samarbete med Klinisk neurofysiologi vid Akademiska sjukhuset utvecklas metoder för karaktärisering av olika sjukdomstillstånd hos nerver och muskelfibrer. Signalbehandlingsmetoder som används bland annat för att följa olika flygplan med hjälp av radar har visat sig vara speciellt användbara i detta sammanhang.

Inom området olinjär signalbehandling har ett samarbete etablerats med FOA. Samarbetet har till syfte att utveckla nya metoder som kan vara till nytta för bland annat klassificeringsändamål. Olinjära signalbehandlingsmetoder kan ibland uträtta underverk där konventionella metoder misslyckas. Exempelvis kan man med dylika metoder separera en person som pratar nära en jetmotor trots att rösten är fullständigt dränkt i oljud.

Signalbehandling för mobil telekommunikation

Signalbehandling har alltid varit till nytta för och stimulerats av utvecklingen inom telekommunikation. Genom den explosiva utvecklingen av mobiltelefonin under det senaste decenniet har telekommunikationsområdet etablerat sig som en betydande motor i signalbehandlingsämnets utveckling. Denna trend ser ut att fortsätta, bland annat beroende på att konsumenterna efterfrågar allt fler mobila telekommunikationstjänster. Höga krav på tillgänglighet och kvalitet genererar krav på nya lösningar som ibland ligger på gränsen till det omöjliga.

Inom gränsområdet signalbehandling/telekommunikation arbetar gruppen bland annat med följande problem:

• Man undersöker hur modeller av radiokanaler kan skapas baserade på ett fåtal data. Sådana modeller används sedan för att ur mottagna signaler räkna ut vilket meddelande som sändes. Modellerna får inte innehålla för många justerbara parametrar om de effektivt ska kunna beskriva kanaler som snabbt förändrar sig med tiden. Metoderna för modellering ska vara pålitliga, robusta och ha låg beräkningskomplexitet.
• Man studerar nya typer av adaptiva filter. Sådana filter kan bland annat användas för att följa snabbt tidsvariabla radiokanaler. Här finns även kopplingar till forskningen inom lärande system, som omnämns nedan.
• Man arbetar även med robust filtrering och detektering: metoder som tar hänsyn till att modeller av verkligheten aldrig är exakt sanna.
• Sändare och mottagare i system för mobil kommunikation kommer i framtiden att utnyttja flera antenner. Om signalerna från flera antenner kombineras på rätt sätt kan man förstärka nyttosignaler, undertrycka störare och rikta sändningen så att man undviker att störa andra användare. Möjligheterna att sända med höga datatakter på brusiga kanaler ökar därmed, en förutsättning för bland annat mobil multimedia.
• Nästa generations standard för mobil kommunikation kommer att baseras på bredbandig CDMA (Code Division Multiple Access). I detta system ges varje användare en unik kod, som gör det möjligt att särskilja meddelanden från olika användare. Här arbetar gruppen med att få fram förbättrade mottagare som bland annat har egenskapen att de ej är känsliga för att vissa användares signaler är mycket svagare än andra användares signaler.
• Man arbetar även med metoder för att anpassa modulation, kodning och protokoll till mobila kanalers tidsvariationer. Detta skapar förutsättningar för ett kommunikationssystem som ständigt anpassar sig efter rådande förhållanden och krav från användarna. I dag tvingas man ofta att från början dimensionera system efter värstafalls-antaganden om trafik, kanalegenskaper och användares önskemål. 

Inom ovan beskrivna områden pågår samarbete med flera olika universitet i Sverige och utomlands samt flera företag inom Ericssonkoncernen. Forskningen finansieras av Vinnova, Vetenskapsrådet samt konsortiet PCC (Personal Computing and Communication) som stöds av Stiftelsen för strategisk forskning (SSF).

Oförstörande materialprovning

Oförstörande materialprovning (OFP) handlar om att detektera defekter i material och konstruktioner utan att försämra deras funktionalitet. Vid OFP använder man olika typer av energi, till exempel i form av elektromagnetiska eller akustiska vågor, för att undersöka materialegenskaper. Området är tvärvetenskapligt med inslag av signalbehandling, fysik, materialvetenskap och elektronik.

OFP spelar en allt större roll i vårt industriella samhälle. Rätt utnyttjad bidrar tekniken till höjning av såväl kvalitet som produktivitet och därmed till förbättrad ekonomi och ökad säkerhet hos ett flertal produkter. Nya material och konstruktioner kan i vissa fall inte längre utvecklas till rimliga kostnader utan avancerad OFP-teknik.

Vid Signaler och System studerar man metoder och sensorer för oförstörande materialprovning, baserad främst på ultraljud och virvelström. Forskningen är fokuserad på utveckling av nya metoder för analys av de signaler och bilder som erhålls vid provningen. Exempel på viktiga tillämpningsområden är provning av kritiska komponenter i kärnkraftverk och flygplan. Metoder utvecklade för OFP kan också i många fall användas för medicinska tillämpningar.

Forskningsverksamheten inom OFP bedrivs med finansieringen från tre europeiska projekt i femte ramprogrammet (Fifth Framework) samt ett långsiktigt samarbete med Svensk Kärnbränslehantering (SKB).

Inom EU-projektet INCA utvecklar man, tillsammans med europeiska flygplans- och helikoptertillverkare, avancerade OFP-metoder för att höja säkerheten hos civila flygplan.

I samarbete med europeiska tillverkare av jetmotorer utvecklar man inom EU-projektet MANHIRP, avancerade OFP-metoder för att detektera tillverkningsfel i motorkomponenter.

Man deltar också i EU-projektet SPIQNAR där, tillsammans med partners from europeisk kärnkrafts industri, skapas verktyg för tolkning av ultraljuddata som samlas vid provningen av kärnkraft anläggningar.

I samarbete med Svensk Kärnbränslehantering (SKB) utvecklar man metoder för att kontrollera förseglingen av de kapslar som skall användas för permanent lagring av utbränt kärnbränsle. Forskarna har inom detta projekt till uppgift att utveckla nya provningsmetoder för ultraljud och virvelström och teknik för signalbehandling av provningsresultaten. SKB finansierar projektet.

 
Lärande system

Ett lärande system generaliserar från tidigare erfarenheter för att förbättra sina prestanda i framtida situationer. System för signalbehandling som har förmåga att lära sig från illustrativa exempel blir alltmer kompetenta och de kan hantera situationer som är svåra att beskriva korrekt med hjälpa av matematiska modeller. Dagens lärande system bygger i första hand på så kallade artificiella neuronnät vilka arbetar efter principer som i viss utsträckning liknar den informationsbehandling som utförs i biologiska nervsystem. Många lyckade tillämpningar finns, bland annat teckenigenkänning, autonoma farkoster och analys av organiska molekyler.

Avdelningen driver projekt med tillämpningar av lärande system framför allt inom oförstörande materialprovning och molekylär bioteknik. Inom oförstörande provning används lärande system bland annat för att detektera och känna igen materialdefekter och inom molekylär bioteknik studeras samband mellan molekylers struktur och funktion. Teoretiska studier pågår också med syfte att förstå hur effektiv inlärning kan åstadkommas och hur hierarkier kan utnyttjas fär detta ändamål. Andra studier går ut på att skapa system med förmåga att lära sig från relativt få exempel. Samarbeten pågår med aktörer inom OFP och med Astra.

 
Mikrovågsteknik

Inom mikrovågstekniken studerar man bland annat integrationen mellan antenn och komponenter i högfrekvenssystem. Det är fördelaktigt att placera de signalbehandlande kretsarna nära antennen då detta erbjuder större möjligheter att realisera mycket av den erforderliga signalbehandlingen i mjukvara. Ett sådant koncept erbjuder större flexibilitet och ger mindre störningspåverkan än vad som är fallet med befintliga system.

 
Reglerteknik

Reglerteknik handlar om att styra dynamiska system, alltifrån små servosystem till hela fabriker. Tack vare datorteknikens snabba utveckling har det nu blivit möjligt för datorn att successivt lära sig hur en process reagerar på ett styringrepp; man får möjlighet att optimera en hel produktionsprocess i till exempel massa-industri, snarare än att styra ett otal enskilda ventiler och pumpar var för sig. Datorn ger oss också nya möjligheter att styra många variabler på en gång genom att samtidigt utnyttja många olika styrsignaler. Detta kallas flervariablel reglering.

För framgångsrik flervariabel reglering krävs en (matematisk) modell, som förutsäger hur ett styringrepp så småningom kommer att påverka alla variabler vi önskar styra. Vi behöver även en bra designmetodik, som använder modellen för att översätta våra önskemål om det reglerade systemets egenskaper till en styrstrategi eller en algoritm.

Modeller, metoder och algoritmer för flervariabel reglering är ett av våra forskningsområden. Gruppen har utvecklat en generell metodik för att undvika regulatoruppvridning (windup), dvs de obehagliga fenomen som inträffar när styrdon slår i sina begränsningar. (Sådana fenomen bidrog till exempel till båda de beryktade JAS-krascherna.) Man studerar även det viktiga problemet att åstadkomma stötfri övergång mellan styrning med olika slags regulatorer.