[pt] A análise de desempenho de sistemas de comunicações nos quais um grande número de portadoras, de diferentes tipos e níveis de potência, acessam uma mesma não-linearidade, esbarra, inicialmente, na dificuldade de se determinar, com precisão e tempo de computação aceitável, a distribuição de potência do ruído de intermodulação gerado. O problema torna-se ainda mais complexo nos casos em que as portadoras têm envoltória variável no tempo, quando, além de se tornar mais difícil a determinação do espectro de intermodulção, há o aparecimento adicional da transferência de modulação das demais portadoras para a portadora desejada. Com o enfoque voltado para o desempenho de sistemas digitais, mostra-se que, utilizando-se determinados algoritmos e aproximações, o tratamento analítico torna-se factível. Com base na teoria apresentada, foi desenvolvido um programa de computador que permite avaliação de desempenho em situações bastante gerais. / [en] One of the difficulties arising in a theoretical performance evaluation of communication systems in which several carriers of various types are transmitted through a cammon nonlinear amplifier, is related to the problem of calculating, with good precision and within reasonable computer time, the power spectrum of the intermodulation noise generated at the output of the nonlinear device. The analysis becomes more complex when the carriers have time- varyng envelopes, since in such situations, besides the difficulty involved in determining the power and spectrum shape of the output signals and intermodulation products, an extra system impairment should be taken into account. Namely, the performance degradation due to modulation transfer from all the other carriers into the desired carrier. With focus on digital systems, it is shoun that, by using certain algorithms and approximations, theoretical performance analysis is feasible. Based on the results presented, a computer program was developed to evaluate performance in fairly general situations.

[pt] Este trabalho analisa a potencial formação do fenômeno da “curva do pato” sobre os preços horários de energia no Brasil. Tal fenômeno se dá pela introdução massiva de geração solar na matriz energética e produz um afundamento nos preços de energia nos horários diurnos onde a produção de energia é abundante e uma rápida elevação dos preços no início da noite que carece de tal fonte de energia e apresenta picos de demanda. Este efeito tem produzido custos elevados aos operadores sistemas elétricos em diversos mercados internacionais como California, Austrália, Alemanha e, principalmente, reduzido a rentabilidade das usinas de geração solar que produzem energia em horários de preço baixo e precisam comprar energia em horários de preços altos. Este estudo recorreu a mais de cinquenta artigos e literaturas além de analisar minuciosamente o Plano Decenal de Energia (EPE, 2022b) como fonte principal para simulações de preço. Também contou com a contribuição de quatro especialistas do setor elétrico Brasileiro que avaliaram o entorno macro e aspectos da atratividade da indústria. Por fim, o trabalho conclui que a curva do pato no Brasil começará a se formar em 2026 tendendo a chegar a uma formação mais evidente no ano de 2031. Contudo, estima-se que o prêmio de risco de mercado para um agente de geração solar mitigar esse risco através de um contrato de swap seria menor que 10 por cento do preço de face de um contrato de energia de longo prazo. / [en] This thesis analyzes the potential formation of the duck curve phenomena on the hourly energy prices in Brazil. Such occurs by the massive introduction of solar generation into the energy matrix and produces a reduction in energy prices during the daytime hours where energy production is abundant and a steep increase in prices in the evening which lacks solar energy source and peaks on load demand. This effect has produced high costs for electrical system operators in several international markets such as California, Australia, Germany and, mainly, reduced the profitability of solar generation plants that produce energy at low price period and need to buy energy at high price hours. This study used more than fifty articles and literatures in addition to thoroughly analyzing the Ten-year Energy Plan (EPE, 2022b) as the main premise for price simulations. It also had the contribution of four specialists from the Brazilian electricity sector who evaluated the macro environment and the industry attractivity. Finally, the work concludes that the duck curve in Brazil will begin to form in 2026 tending to reach a more evident formation in the year 2031. However, it is estimated that the market risk premium for a solar generation agent to mitigate this risk through a swap contract would be less than 10 per cent of the face price of a long-term energy contract.

[pt] A presente tese se dedica ao estudo do sistema de comunicação sem fio MIMO-GFDM-IM. Este sistema, por apresentar atratividades como elevada eficiência espectral, eficiência energética e resiliência ao canal de propagação multipercurso, é de interesse para os futuros sistemas de comunicação. Antecedendo o estudo deste sistema, o modelo de sinais e sistemas para MIMO-GFDM é desenvolvido com base no modelo MIMOOFDM e estratégias de detecção para o sistema são propostas. Uma nova proposta para a detecção MIMO-GFDM, baseada em duas fases de filtragem, é apresentada, resultando em atrativa relação desempenho de detecção e complexidade computacional. O modelo de sistema apresentado é então estendido para incluir a modulação de índice como portadora de informação, resultando no sistema MIMO-GFDM-IM. Inicialmente considerando sistemas ponto-a-ponto, são avaliados diferentes propostas de detectores baseados no processamento da matriz de canal completa e também para os detectores de complexidade reduzida, sob a ótica de desempenho de detecção e complexidade computacional. Por fim, é considerado o sistema MIMO-GFDM-IM no uplink de um sistema multiusuário. / [en] This thesis is dedicated to the study of the MIMO-GFDM-IM wireless communication system. This system, due to its attractiveness such as high spectral efficiency, energy efficiency and resilience to the multipath propagation channel, is of interest for future communication systems. Preceding the study of this system, the model of signals and systems for MIMOGFDM is developed based on the MIMO-OFDM model and detection strategies for the system are proposed. A new proposal for MIMO-GFDM detection, based on two filtering phases, is presented, resulting in an attractive relation between detection performance and computational complexity. The presented system model is then extended to include index modulation as an information carrier, resulting in the MIMO-GFDM-IM system. Initially considering point-to-point systems, different proposals for detectors based on processing the complete channel matrix and also for detectors of reduced complexity are evaluated, from the perspective of detection performance and computational complexity. Finally, the MIMOGFDM-IM system is considered in the uplink of a multiuser system.

[pt] A conversão de comprimento de onda de sinais por meio de técnicas totalmente ópticas é um assunto inovador e de extrema necessidade para as redes com roteamento de comprimento de onda; a técnica de conversão de comprimentos de onda por modulação de ganho cruzado é uma das mais simples, em princípio, que atinge este objetivo. Duas modalidades são apresentadas neste trabalho: a clássica, também conhecida por pump & probe, e uma nova, a de modulação de ganho cruzado do espectro da ASE em um SOA. A técnica pump e probe é apresentada, assim como um experimento baseado nesta. A técnica de modulação de ganho cruzado da ASE é explorada como alternativa à técnicas de conversão de comprimento de onda que necessitam de outra fonte de luz, para a qual o sinal deve ser convertido. Na modulação de ganho cruzado da ASE, o sinal é convertido de luz coerente para incoerente; e, uma vez modulado o espectro da ASE do SOA, este é filtrado no comprimento de onda que se deseja obter a conversão. Assim, este conversor pode ser sintonizável, já que não é um parâmetro de entrada que define o comprimento de onda convertido, e sim um filtro passa-faixa ao fim do dispositivo. Para se avaliar os tempos de resposta da técnica, a conversão é feita utilizando-se pulsos elétricos ultracurtos (50 ps), o que não havia sido feito até então. / [en] Wavelength conversion of optical signals by all-optical techniques is an innovative and necessary technology for wavelength routed networks in the near future; the cross-gain modulation method is one of the simplest, in form, to attain this goal. Two categories of the main technique are presented: the classic, also known as pump and probe, and a novel one, named cross- gain modulation of the ASE spectrum of a SOA. The cross-gain modulation of the ASE spectrum is explored here as an alternative to previous all-optical wavelength conversion techniques that require another light source, to which the incoming signal is to be converted; the signal is converted from coherent to incoherent light; and, once modulated throughout the SOA`s ASE spectrum, the signal is then filtered at the central wavelength it is desired to be converted. Thus, this particular wavelength converter can be tunable, in the sense that it is reconfigurable, since a band pass filter located at the end of the device selects what wavelength the signal will be converted to. In order to assess the response times of the technique, the conversion is made for ultra short electrical pulses (50 ps), a feature unknown until now.

[pt] O objetivo desta Dissertação é apresentar a análise do comportamento de protocolos e dos métodos de proteção em sistemas ópticos para as futuras redes de altas taxas de transmissão. A demanda por banda de transmissão em redes ópticas vem aumentando sobremaneira nas últimas décadas, principalmente, devido à disseminação do acesso e da utilização da Internet e aos novos tipos de aplicações que ela utiliza, com compartilhamento de vídeos e aplicações em nuvem. Esse aumento de tráfego tem impulsionado fortemente o desenvolvimento de tecnologias de sistemas ópticos que procuram garantir o atendimento a essa demanda. Várias frentes de estudos buscam obter taxas de transmissão de bits mais altas por canais (100Gbps, 400Gbps e 1Tbps), utilizando-se de tecnologias avançadas como o formato de modulação multinível, fibras com baixa perda e área de transmissão efetiva mais larga, amplificação híbrida EDFA/Raman e tecnologias de detecção digital coerente. A taxa máxima de transmissão em sistemas ópticos está saindo do atual 10Gbps e indo na direção dos 40Gbps e 100Gbps, já comercialmente oferecidos, e dos 400Gbps e 1Tbps ainda em desenvolvimento. E esse aumento na taxa de transmissão gera uma necessidade de avaliação do comportamento dos protocolos e métodos de proteção atuais quando aplicados a essas novas redes ultra-rápidas. A mudança para taxas de transmissão tão altas pode requerer diferentes estratégias de operação, e a razão é que os efeitos de retardo de propagação alteram significantemente o controle de fluxo do tráfego. / [en] The aim of this Dissertation is to present an analysis of the behavior of protocols and protection methods in optical communication systems for the ultra high bit rate networks. The demand for optical networking transmission bandwidth is increasing greatly in recent decades, mainly due to the spread of access to and the use of the Internet and new types of services, with video sharing and cloud applications. This increase in traffic has driven strongly the development of optical systems technologies that seek to ensure compliance with this demand. Several fronts of studies seeking to obtain rates from higher bits per channel (100Gbps, 400Gbps and 1Tbps), using advanced technologies such as multilevel modulation format, fibers with low loss and wider effective transmission area, hybrid EDFA/Raman amplification and digital coherent detection technologies. The maximum transmission rate in optical systems is coming out of the current 10Gbps and 40Gbps and going towards the 100Gbps, already commercially offered, and still developing 400Gbps and 1Tbps. This increase in transmission rate generates a need for evaluation of the behavior of current protection protocols and methods when applied to these new ultra-fast networks. The change to so high transmission rates may require different operating strategies, and the reason is that the effects of propagation delay alter significantly the control traffic flow.

[pt] Eficiência energética e espectral são características importantes para comunicações militares e internet das coisas (IoT). Nesta tese, métodos e sistemas de quantização de 1-bit com modulação de fase contínua (CPM) são estudados e propostos para resolver as necessidades de sistemas de comunicações modernos com baixo consumo energético. Nesse contexto, o método de superamostragem em relação a duração de um símbolo é promissor, pois a informação está contida ao longo da transição de fase de sinais CPM, que não são estritamente limitados em banda. Consequentemente, a perda de taxa alcançável causada pela quantização de 1-bit pode ser reduzida consideravelmente, até mesmo para esquemas com maior ordem de modulação. Este estudo investiga diferentes abordagens para melhorar o desempenho do modelo de sistema proposto. Um esquema de codificação de canal é projetado com mapeamento de bits adaptado ao problema de quantização grosseira, fazendo uso de um soft-in soft-out (SISO) turbo receiver. Formas de onda CPM com duração de símbolo significamente menor que o inverso da banda do sinal são propostas, nomeadas de faster-than-Nyquist CPM. Um fator maior de superamostragem é aplicado com uma estratégia de seleção de amostras em um modelo de amostragem adaptativa. Finalmente, resultados numéricos confirmam melhor desempenho em taxa de erro de bit, eficiência espectral e taxa alcançável para os métodos propostos, em comparação às técnicas recentemente utilizadas. / [en] Energy and spectral efficiency are appealing features for military communications and internet of things (IoT). On this thesis, systems and schemes with 1-bit quantization and continuous phase modulation (CPM) are studied and proposed to address the needs for modern and power efficient communications. In this context, oversampling with respect to the symbol duration is promising because the information is conveyed in the phase transitions of the CPM signals, which are not strictly bandlimited. With this, the loss in achievable rate caused by the coarse quantization can be greatly reduced, even for higher order modulation schemes. This study investigates different approaches to enhancing the performance of the proposed system model. A channel coding scheme is designed with a tailored bit mapping, by means of employing a soft-in soft-out (SISO) turbo receiver. CPM waveforms with symbol durations significantly shorter than the inverse of the signal bandwidth are proposed, termed faster-than-Nyquist CPM. Higher oversampling is applied with a sample selection strategy for a nonuniform adaptive oversampling model. Finally, numerical results confirm better performance on bit error rate, spectral efficiency and achievable rate for the proposed methods in comparison with state of the art techniques.

[pt] Este trabalho apresenta a geração de pulsos de microondas linearmente e não-linearmente modulados em frequência (LFM e NLFM) através da técnica fotônica de auto-heterodinagem. Ao utilizar eletrônica de baixa frequência para modular um diodo laser de feedback distribuído, a variação da portadora óptica no tempo (chirp) é observada, o que é causado predominantemente por efeito térmico. Este efeito, combinado com batimento auto-heteródino, foi capaz de produzir pulsos LFM com alto produto largura de banda-tempo (TBWP). Uma outra abordagem é necessária para geração de pulsos NLFM. Primeiro, é introduzida a técnica Espectroscopia Óptica Resolvida no Tempo para caracterização do chirp de um diodo laser. Em seguida, um estímulo de corrente em formato de função degrau é aplicado ao diodo laser para aquisição da função de transferência de seu chirp, H(s). Com a posse de H(s), uma simulação numérica foi usada para descobrir o estímulo necessário de corrente i(t) para obtenção de pulsos de microondas NLFM através da técnica de auto-heterodinagem. Os resultados experimentais coincidem com a simulação. / [en] This work reports the photonic generation of both linear and non-linear frequency modulation (LFM and NLFM) microwave pulses through a self-heterodyne scheme. By using low-frequency electronics to drive a distributed feedback laser diode, optical chirping is generated predominantly by thermal effect. Combining laser chirping and self-heterodyning, LFM pulses with high time-bandwidth product (TBWP) were achieved. A different approach is required for generation of NLFM microwave pulses. First, for characterization of the laser diode chirp, it is introduced a technique named Time- Resolved Optical Spectroscopy. Then, by using a step-shaped current stimulus, the laser chirp transfer function H(s) was obtained. With knowledge on H(s), a numerical simulation produced the suitable current stimulus i(t) needed to generate NLFM microwave pulses through self-heterodyning. Experimental results agreed with the numerical simulations.

[pt] Processamento em arranjos de sensores é uma área com vasta aplicação, tanto civil quanto militar, por exemplo em sonar, radar, sismologia e comunicações sem fio. Por meio de processamento espacial e espácio-temporal é possível melhorar suas funcionalidades e explorar novas possibilidades. Esta área vem atraindo cada vez mais a atenção e os esfor¸cos da comunidade científica, especialmente agora, em que antenas phased-array se estabeleceram como uma tecnologia comercial e madura. Neste contexto, nós tratamos o problema de processamento com posto reduzido em processamento espacial (beamforming) e espácio-temporal de sinais radar e a nova área de radares com função dual de radar e comunicações (dualfunction radar-communications, DFRC), que pode ser resumida na incorporação de mensagens de comunicações nas transmissıes radar como uma tarefa secundária. Nesta tese, nós investigamos a aplicação de um novo esquema de reduções de posto baseado em interpolação e decimação em duas áreas distintas: processamento espacial e processamento espácio-temporal de sinais radar. Este algoritmo para redução de posto nunca havia sido testado nestes ambientes antes e apresentou resultados bastante expressivos. Nós também propomos simplificações para reduzir a complexidade computacional do algoritmo em bemforming. Quanto ao tópico de DFRC, nós propomos dois métodos originais para incorporar modulação de amplitude/fase aos lóbulos laterais do diagrama de irradiação do radar de forma robusta. Os métodos propostos são muito mais simples do que o estado-da-arte e apresentam desempenho superior em termos de robustez e aplicabilidade em operações de tempo-real. Nós ainda provemos várias outras análises, comparações e contribuições a esta nova área. / [en] Array processing is an area with many civilian and military applications, e.g. sonar, radar, seismology and wireless communications. By means of space and space-time processing it is possible to enhance their features and explore new possibilities. This area has been attracting increasingly more attention and gathering more efforts of the science community, especially now, that phased array antennas are established as a commercial and mature technology. Within this context, we address the problem of reduced rank processing in space and space-time radar signal processing and the new area of dual-function radar-communications (DFRC), which may be summarized as embedding communication messages into radar emissions as a secondary task for the radar. In this thesis, we investigate the application of a new joint interpolation and decimation rank reducing scheme in two different areas: beamforming and space-time radar processing. This rank reducing algorithm was never tested within these contexts before and shows impressive results. We also propose simplifications for decreasing the computational complexity of the algorithm in beamforming. In the topic of DFRC, we propose two original robust radar-embedded sidelobe phase/amplitude modulation methods which have simple closed form equations. The proposed methods are much simpler than the state of the art and have superior performance in terms of robustness and real-time applicability.

[pt] Com o rápido crescimento da Internet das Coisas (IoT), surgiram novas tecnologias de comunicação sem fio para atender aos requisitos de longo alcance, baixo custo e baixo consumo de energia exigidos pelos aplicativos de IoT. Nesse contexto, surgiram as redes de longa distância de baixa potência (LPWANs), as quais oferecem diferentes soluções que atendem aos requisitos dos aplicativos de IoT mencionados anteriormente. Entre as soluções LPWAN existentes, o LoRaWAN tem-se destacado por receber atenção significativa da indústria e da academia nos últimos anos. Embora o LoRaWAN ofereça uma combinação atraente de transmissões de dados de longo alcance e baixo consumo de energia, ele ainda enfrenta vários desafios em termos de confiabilidade e escalabilidade. No entanto, devido a sua natureza de código aberto e à flexibilidade do esquema de modulação no qual ele se baseia (Long Range (LoRa) permite o ajuste de fatores de espalhamento e a potência de transmissão), o LoRaWAN também oferece importantes possibilidades de melhorias. Esta dissertação aproveita a adequação dos algoritmos de Aprendizagem por Reforço (RL) para resolver tarefas de tomada de decisão e os utiliza para ajustar dinamicamente os parâmetros de transmissão dos dispositivos finais LoRaWAN. O sistema proposto, chamado RL-LoRa, mostra melhorias significativas em termos de confiabilidade e escalabilidade quando comparado ao LoRaWAN. Especificamente, diminui a taxa de erro de pacote (PER) média do LoRaWAN em 15 porcento, o que pode aumentar ainda mais a escalabilidade da rede. / [en] With the massive growth of the Internet of Things (IoT), novel wireless communication technologies have emerged to address the long-range, lowcost, and low-power consumption requirements of the IoT applications. In this context, the Low Power Wide Area Networks (LPWANs) have appeared, offering different solutions that meet the IoT applications requirements mentioned before. Among the existing LPWAN solutions, LoRaWAN has stood out for receiving significant attention from both industry and academia in recent years. Although LoRaWAN offers a compelling combination of long-range and low-power consumption data transmissions, it still faces several challenges in terms of reliability and scalability. However, due to its open-source nature and the flexibility of the modulation scheme it is based on (Long Range (LoRa) modulation allows the adjustment of spreading factors and transmit power), LoRaWAN also offers important possibilities for improvements. This thesis takes advantage of the appropriateness of the Reinforcement Learning (RL) algorithms for solving decision-making tasks, and use them to dynamically adjust the transmission parameters of LoRaWAN end devices. The proposed system, called RL-LoRa, shows significant improvements in terms of reliability and scalability when compared with LoRaWAN. Specifically, it decreases the average Packet Error Ratio (PER) of LoRaWAN by 15 percent, which can further increase the network scalability.

[pt] A necessidade de transmitir energia e dados através de barreiras metálicas tem sido cada vez maior em aplicações industriais, onde não é possível a penetração de cabos elétricos, ou o uso de ondas eletromagnéticas, tais como, por exemplo, em sistemas de sensoriamento de cimentação em poços de petróleo. Ondas acústicas podem ser uma solução para esse problema, porque não são afetadas pelo efeito gaiola de Faraday, além de possuírem baixa atenuação ao atravessarem metais. Diversos esforços foram feitos para realizar a transmissão de dados através de camadas metálicas, com abordagens que variam em composição do canal acústico, taxa de transmissão, transmissão simultânea de dados e energia e complexidade dos circuitos empregados; existe, porém, carência de trabalhos que envolvam camadas metal-fluído-metal. Este trabalho apresenta uma possível solução utilizando ondas acústicas como meio de transportar energia e dados em um canal composto de barreiras com duas camadas metálicas e uma de fluído. Aqui propõe-se uma inovadora técnica de controle automático de ganho e um melhor aproveitamento da largura de banda do canal acústico, que permite maior taxa de transmissão de dados. É ainda proposta uma técnica para controle dinâmico da portadora enviada ao lado passivo do sistema. Inicialmente, foi feita uma análise de um modelo numérico, baseado em trabalhos anteriores, fundamentado na propagação de ondas acústicas e baseado na analogia acustoelétrica. Em seguida, desenvolveu-se um sistema eletrônico para receber / transmitir energia e dados digitais, modulados em frequência, de um lado ao outro do sistema. Por fim, análises experimentais foram feitas utilizando como canal acústico, um conjunto de duas placas planas de aço (de 5 mm) separadas por uma camada de fluído (de 100 mm) e dois transdutores alinhados axialmente, realizando a transferência de energia e dados digitais modulados em frequência. O sistema foi capaz de realizar a transferência de dados a uma taxa de 19200 bps e simultaneamente uma transferência de energia de 66 mW, com essa energia foi possível alimentar o modulo eletrônico e um sensor de pressão e temperatura. Durante os testes foi constatado um aproveitamento de 5,5 por cento da energia aplicada ao canal, e foi possível atingir uma taxa de erro de bit de 5 por cento em um teste com 2 h e 30 min de duração, utilizando o canal acústico com camadas de múltiplos materiais propostos. O sistema de controle de portadora funcionou adequadamente, permitindo uma redução de consumo de até 53 por cento. O controle automático de ganho permitiu uma redução de 50 por cento na taxa de erro de decodificação. Demonstra-se, então, a viabilidade de tais sistemas de controle propostos, os quais podem ser úteis em casos onde existam variações nas características acústicas do canal em questão que, em conjunto com a transferência não intrusiva, pode prover solução para sistemas de sensoriamento. / [en] The need for energy and data transmission through metallic barriers is increasing in industrial applications, where the penetration of electrical waves or the use of electrical waves is not possible. An example of such a scenario is the monitoring of cementing in wellbore applications. Acoustic waves are promising to solve this problem, since they are not affected by the Faraday cage effect, in addition, they present low attenuation when propagating in metals. Several efforts have been made to carry out data transmission through metallic layers, with approaches that vary in composition of the acoustic channel, transmission speed, simultaneous transmission of data and energy and the complexity of the circuits used, but there is a lack of works involving metal-fluid-metal layers. This work presents a possible solution using acoustic waves as a mean of transporting energy and data in a channel composed of barriers with two metallic layers and one fluid layer. Here, it is proposed a novel technique for automatic gain control and better use of the available bandwidth of the acoustic channel, which allows higher data transmission speed. Also, a technique for dynamic control of the carrier sent to the passive side of the system is proposed. Initially, an analysis with a numerical model was made, following previous works, which is based on the propagation of acoustic waves and relying on the acoustoelectric analogy. Then, an electronic system was developed to receive/transmit power and digital data, frequency modulated, from one side of the system to the other. Finally, experimental analyzes were performed using as an acoustic channel, a set of two flat steel plates (5 mm) separated by a fluid layer (100 mm) and a pairs of axially aligned transducers, performing the energy transfer and frequency modulated digital data. The system was able to transfer data at a rate of 19200 bps and simultaneously a transfer of energy of 66 mW, with this energy it was possible to feed the inside block module and a pressure and temperature sensor. During the tests, it was verified that 5.5 per cent of the energy applied to the channel was used, and it a bit error rate down to of 5 per cent was reached in a test with 2 h and 30 min of duration, using the multi-layered acoustic. The automatic carrier control system worked as expected and allowed one to reduce energy consumption in 53 per cent. The automatic gain control allowed one to reduce the error rate in 50 per cent. These control systems prove the feasibility of the proposed system and further show the usefulness of the system in scenarios that are subject to variations in the acoustic characteristics of the channel.