The purpose of this semestral project is to explain the basic issues of simple digital modulations through the creation of simple digital modulations using direct digital synthesis. It begins with a short review of digital modulation theory and the theory about direct digital synthesis. All the technical documentation is attached, including schematics and boards of functional modulator.

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L’hyperthermie guidée par IRM permet l’ablation thermique des tumeurs, l’activation de l’expression d’un transgène sous contrôle d’un promoteur thermo-sensible ainsi que le dépôt local de médicaments à l’aide de nanovéhicules sensibles à la température ou à la pression locale. L’imagerie de température par IRM, basée sur la technique du décalage de la fréquence de résonance du proton permet le monitorage des interventions d’hyperthermie. Les procèdes interventionnels guides par IRM sur cible mobile requièrent des séquences d’imagerie rapides afin d’obtenir des images de phases ayant une résolution spatio-temporelle élevée. Nous avons démontré l’efficacité de l’association des méthodes adaptatives d’imagerie parallèle telles que TSENSE et TGRAPPA et de la méthode multi-référence de l’atlas de mouvement afin de compenser les variations du champ magnétique induites par les organes en mouvement. Les procédés interventionnels guides par IRM sont basés sur des séquences d’imagerie rapides capables de fournir des images en temps-réel ayant une relation précise entre la position de la cible représentée dans l’image et sa vraie position spatiale. Les séquences écho-planar sont très rapides mais possèdent des distorsions géométriques. Nous avons proposé une méthode de correction des distorsions des images EPI. Cette technique est basée sur des approches existantes utilisant l’acquisition de deux images EPI ayant deux temps d’écho différents. L’efficacité de la méthode proposée a été démontrée pour une expérience de thermométrie par IRM. La rapidité du traitement des données, associée à une faible diminution de la rapidité d’acquisition, rend cette méthode particulièrement adaptée pour les procédés interventionnels guides par IRM. La perfusion sanguine, la diffusion thermique ainsi que le coefficient d’absorption des ondes acoustiques ou électromagnétiques déterminent la distribution de la température durant les procédés interventionnels. Certaines tumeurs ont des taux de perfusion élevés conduisant à une évacuation importante de la chaleur et par conséquent, un refroidissement rapide de la cible. Cet effet réduit la température maximale atteinte pour une puissance donne et peut conduire à des zones d’ablation plus petites réduisant ainsi l’efficacité de l’intervention. La connaissance précise des paramètres thermiques du tissu peut aider à la planification des procédés interventionnels. Dans ce but, nous avons proposé une méthode permettant la détermination précise des paramètres cités précédemment. / MR-guided HIFU-induced hyperthermia allows for thermal ablation of tumors, for gene therapy by thermal induction of transgenic expression (based on a thermo-sensitive promoter) and for local drug delivery using thermo-sensitive liposomes. These applications require accurate temperature measurement during the therapeutic intervention. Dynamic MR-temperature imaging based on the proton resonance frequency shift technique allows monitoring the local temperature evolution during hyperthermia. MR-guided thermotherapy on moving organs requires imaging sequences providing phase images with high temporal and spatial resolution. We demonstrated the feasibility of combining adaptive parallel imaging techniques such as TSENSE or TGRAPPA with the atlas-based multi-baseline method for compensating the magnetic field variations produced by moving organs during the respiratory cycle. Many MR-guided interventional procedures rely on real-time imaging sequences for providing precise relations between the target position in the image and the true position in the scanner. Although echo-planar imaging (EPI) sequences are very fast, they are prone to geometric distortions. For correcting these distortions, we proposed a real-time correction method by applying existing approaches based on a dual EPI acquisition with varying echo times. It is demonstrated that this method works well in combination with MR-thermometry for guiding thermal therapies. Short data-processing times as well as a small penalty in acquisition speed make this method well-adapted for MR-guided interventions. Local blood perfusion, thermal conductivity and the absorption coefficient of acoustic or electro-magnetic waves determine the temperature distribution in living tissue. Some tumors have high perfusion rates resulting in considerable heat evacuation. This effect reduces the maximal temperature increase achievable for a given deposited energy and produces smaller ablation zones, which can impair the efficiency of the therapeutic procedure. A method for accurately estimating the above mentioned tissue parameters, was presented. This method could thus be useful in quantifying the influence of perfusion during thermal interventions.

Optical response of an active medium can substantially be modified when coherent superpositions of states are excited, that is, when systems display quantum coherence and interference. This has led to fascinating applications in atomic and molecular systems. Examples include coherent population trapping, lasing without inversion, electromagnetically induced transparency, cooperative spontaneous emission, and quantum entanglement. We study quantum coherence effects in several quantum optical systems and find interesting applications. We show that quantum coherence can lead to transient Raman lasing and lasing without inversion in short wavelength spectral regions--extreme ultraviolet and x-ray--without the requirement of incoherent pumping. For example, we demonstrate transient Raman lasing at 58.4 nm in Helium atom and transient lasing without inversion at 6.1 nm in Helium-like Boron (triply-ionized Boron). We also investigate dynamical properties of a collective superradiant state prepared by absorption of a single photon when the size of the sample is larger than the radiation wavelength. We show that for large number of atoms such a state, to a good approximation, decays exponentially with a rate proportional to the number of atoms. We also find that the collective frequency shift resulting from repeated emission and reabsorption of short-lived virtual photons is proportional to the number of species in the sample. Furthermore, we examine how a position-dependent excitation phase affects the evolution of entanglement between two dipole-coupled qubits. It turns out that the coherence induced by position-dependent excitation phase slows down the otherwise fast decay of the two-qubit entanglement. We also show that it is possible to entangle two spatially separated and uncoupled qubits via interaction with correlated photons in a cavity quantum electrodynamics setup. Finally, we analyze how quantum coherence can be used to generate continuous-variable entanglement in quantum-beat lasers in steady state and propose possible implementation in quantum lithography.

Les Oscillateurs Spintronique (STNO) sont un nouveau type d'oscillateurs à fréquence radio (RF) qui utilisent l'effet « Spin Transfer Torque (STT) » dans un dispositif de jonction tunnel magnétique (MTJ) pour produire des oscillations entretenues à haute fréquence. Les STNO fournissent des solutions compactes pour la communication sans fil utilisées dans « wireless sensor network (WSN) » car leur fréquence peut être réglée via un courant continu. Ce réglage de fréquence permet de coder l'information via « Frequency shift keying (FSK) » par modulation numérique entre deux valeurs discrètes sans besoin d'un RF mixer, ce qui conduit à des composants RF potentiellement moins complexes. Dans cette thèse, la faisabilité de FSK a été étudiée pour des STNO MTJ à aimantation dans le plan en vue des communications sans fil utilisées dans les WSN. Les paramètres abordés dans cette étude sont le décalage de fréquence et le taux de modulation maximum, auquel la fréquence peut être décalée entre deux valeurs discrètes.Pour caractériser le taux de modulation maximum, des simulations macrospin et des études expérimentales ont été réalisées. Les simulations révèlent que le taux de modulation maximum pour FSK par courant est limité par la fréquence de relaxation du STNO, qui est de l'ordre de quelques centaines de MHz pour les STNO à aimantation dans le plan. Cela signifie que le taux de modulation maximum est limité à quelques centaines de Mbps, ce qui est ciblé ici pour une communication sans fil à débit de données modéré utilisées dans les WSN. Des études expérimentales du FSK par modulation de courant dans les STNO ont été effectuées pour des STNO autonomes et pour des STNO intégrés dans des systèmes hyperfréquences. Le FSK sur les STNO autonomes montre un décalage de fréquence autour de 200 MHz (le décalage de fréquence entre ≈ 8,9 GHz et ≈9,1 GHz) au taux de modulation de 10Mbps. Ce taux de modulation est inférieur à la limite supérieure donnée par la fréquence de relaxation du STNO comme prévu dans la simulation numérique en raison du bruit de phase relativement élevé du dispositif mesuré. Afin de tester la faisabilité du STNO dans les systèmes hyperfréquences, la modulation FSK des STNO a été effectuée sur un émetteur de carte de circuit imprimé (PCB). L'émetteur de PCB a été réalisé et développé par le partenaire du projet Mosaic FP7, TUD University. L'analyse confirme qu'un changement de fréquence autour de 300 MHz (le décalage de fréquence entre ≈9 GHz et ≈9,3 GHz) a été observé avec un taux de modulation de 20 Mbps. Le taux de données est limité par les caractéristiques de l'émetteur de PCB et non intrinsèque au STNO. Les études de simulation et d'expérience de la modulation de fréquence des STNO démontrent que le débit de données est adéquat pour la communication sans fil utilisée dans WSN.Cependant, d'autres améliorations dans les matériaux et la nanofabrication de STNO sont nécessaires pour améliorer la puissance de sortie et améliorer les caractéristiques spectrales des oscillations pour pousser les débits de données à des valeurs plus élevées avec un grand décalage de fréquence / Spin Transfer Nano-Oscillators (STNOs) are a novel type of Radio Frequency (RF) oscillators that make use of the Spin Transfer Torque (STT) effect in a magnetic tunnel junction (MTJ) device to produce high-frequency auto-oscillations. STNOs are attractive for applications in wireless communications due to their nanometric size and their frequency tuning capabilities via either a dc current or an applied field. This frequency tuning permits to encode the information via frequency shift keying (FSK) by digital modulation of the current or applied field between two discrete values without the need of an external RF mixer, leading to potentially less complex RF components. In this thesis, the feasibility of the digital frequency modulation (frequency shift keying (FSK)) using in-plane magnetized MTJ STNOs has been studied. For this, the maximum modulation rate, up to which a signal can be modulated or the frequency can be shifted between two discrete values, is an important aspect that need to be characterized.The characterization of the maximum modulation rate for in-plane magnetized MTJ STNOs has been studied via numerical macrospin simulation for different modulation configurations, i.e. modulation by a sinusoidal RF current and a sinusoidal RF field. It revealed that the maximum modulation rate under RF current modulation is given by the amplitude relaxation frequency fp of the STNO. Under RF field modulation, i.e. an RF field applied parallel to the easy axis, an enhanced modulation rate above fp can be achieved since the frequency is modulated directly via the field and not via the amplitude. This suggests an important strategy for the design of STNO-based wireless communications and to achieve high data rates. Besides numerical simulation, experimental studies of frequency shift keying (FSK) by current modulation in STNOs have been also demonstrated. The first demonstration is the FSK in standalone STNOs. The analysis confirmed that the FSK was successfully observed with a frequency shift around 200MHz (the frequency shift between ≈8.9 GHz and ≈9.1 GHz) at the modulation rate of 10Mbps. This modulation rate is however less than the upper limit, which is given by the relaxation frequency fp of the STNO as predicted in the numerical simulation, because of the relatively high phase noise of the device measured. In order to test the feasibility of the STNO within microwave systems, the FSK modulation of STNOs was performed on a printed circuit board (PCB) emitter. FSK with a frequency shift around 300MHz (the frequency shift between ≈9 GHz and ≈9.3 GHz) was observed with a modulation rate of 20 Mbps. The data rate here was limited by characteristics of the PCB emitter and not intrinsic to the STNO. The simulation and experiment studies of frequency modulation of STNOs demonstrate that the data rate of is adequate for wireless communication used in WSN. However, further improvements in materials and nanofabrication of STNOs are required to enhance the output power and improve the spectral characteristics of the oscillations to push the data rates to higher values with large frequency shift.

A l’aide d’un interféromètre différentiel à quadrature de phase nous mesurons les fluctuations thermiques de la déflexion d’un micro-levier. Il est alors possible de déduire différentes propriétés mécaniques du levier telles que raideur, fréquences de résonance, facteurs de qualité etc. Dans un tel système, la précision maximale sur les mesures est limitée par le bruit de grenaille des photodiodes (shot-noise). Afin d’augmenter le rapport signal sur bruit, nous augmentons l’intensité lumineuse du laser de mesure, diminuant ainsi le bruit de fond des spectres de fluctuations thermique. En revanche, l’augmentation de l’intensité du laser a pour effet de décaler vers les basses fréquences les résonances du levier. Une première partie de ce travail de thèse a pour objectif la compréhension de ce phénomène. Ainsi, nous associons le décalage en fréquence à un échauffement du levier par le laser de l’interféromètre et au flux de chaleur associé le long du levier. Nous développons alors un modèle permettant de relier cet effet à la température de l’extrémité du levier en se basant sur un profil de température linéaire. Une seconde partie de ce travail vise à mesurer la température effective d’un levier à l’aide d’une extension du théorème fluctuation-dissipation. Nous montrons que les fluctuations de ce système hors équilibre sont plus faibles que celles attendues compte tenu du profil de température. Nous cherchons alors à identifier l’origine de ce déficit de fluctuations. Dans une dernière partie nous estimons les profils de température sur des leviers en faisant varier leurs paramètres géométriques ou leur coefficient d’absorption, ainsi que la position du laser chauffant le levier. / Thanks to a home made quadrature phase differential interferometer, we measure the thermal fluctuations ofa cantilever. It is then possible to infer various mechanical properties such as eigenfrequencies, stiffness,quality factor, etc. In such system, the maximal precision on the measure is limited by the shotnoise of thephotodiodes. To increase the signal-noise ratio we raise the light intensity of the laser, lowering thebackground noise. Doing so, the cantilever eigen frequencies shifts to lower values. A fisrt part of this thesiswork has for objective the understanding of this phenomenon. Thus, we associate this frequency shift with aheating of the cantilever by the laser. We develop a model linking this effect to the temperature at the freeend of the cantilever assuming a linear temperature profile.A second part of this thesis leads us to estimate the effective temperature of a cantilever using thefluctuation-dissipation theorem. We show that the fluctuations of our out of equilibrium system are lower thanthe fluctuations expected at equilibrium.In the last part, we estimate the temperature profiles on cantilevers by varying their geometry, absorptioncoefficient and laser position.

La prothèse cochléaire est un appareillage destiné à la réhabilitation des surdités profondes et totales dont un appareillage conventionnel est inefficace. Elle assure la stimulation directe des neurones cochléaires à travers un faisceau d’électrodes. Différents travaux de recherches ont été établis afin d'évaluer l'intelligibilité de la parole chez les sujets bilatéralement implantés en environnements silencieux et bruité. Les résultats ont montré une bonne intelligibilité de la parole en milieu silencieux. Toutefois, les capacités de perception de la parole chez les patients implantés se dégradent en environnement bruité. Nous avons de ce fait proposé trois approches de traitement du signal en vue d'une amélioration de l'intelligibilité de la parole dans le cas de l'implant cochléaire bilatéral: la stimulation bilatérale décalée, l'algorithme de la soustraction spectrale bi-voie et l'algorithme de la soustraction interspectrale. Des améliorations de l'intelligibilité de la parole entre 4% et 10% ont été notées dans le cas de la stimulation bilatérale décalée par rapport à la stimulation bilatérale symétrique. L'approche basée sur l'algorithme de la soustraction spectrale bi-voie présentait des améliorations variables entre 10% et 17%. De meilleures performances ont été obtenues lorsque l'approche basée sur l'algorithme de la soustraction interspectrale est considérée où les améliorations étaient entre 15% et 27% / Cochlear prostheses are intended for persons suffering from deep or total deafness where conventional prostheses proved ineffective. In quiet listening conditions, most bilateral cochlear implant (BCI) users can now achieve even more than 80% word recognition scores regardless the used device. However, under more challenging listening conditions, BCI recipients perform poorly, compared to normal-hearing listeners. In this work, we proposed three speech processing approaches for speech intelligibility improvement. The first is based on shifted bilateral cochlear implant stimulation; the second is based on dual-channel spectral subtraction algorithm and finally the cross power spectral subtraction algorithm was considered. Experimental results showed a speech intelligibility improvement between 4% and 10% when the shifted bilateral cochlear implant stimulation is considered. Performance amelioration was observed when the dual-channel spectral subtraction based speech enhancement algorithm was considered and the improvement was between 10% and 17%. The better performance was obtained when noisy speech signals were processed using cross power spectral subtraction algorithm and the improvement was between 15% and 27%

Das Thema dieser Arbeit ist eine mögliche Steuerung eines optischen Solitons in nichtlinearen optischen Fasern. Es gelang, die interessierenden Solitonparameter wie Intensität, Dauer und Zeitverschiebung durch die Wechselwirkung mit einer dispersiven Welle geringer Intensität kontrollierbar zu modifizieren. Es wird eine neue analytische Theorie vorgestellt für die Wechselwirkung zwischen Solitonen und dispersiven Wellen, die auf der Kreuzphasenmodulation in nichtlinearen Fasern beruht. Das vorgestellte Modell kombiniert quantenmechnische Streutheorie und eine Erweiterung der Störungstheorie für Solitonen aus der nichtlinearen Optik. Damit wurden folgende neue Ergebnisse erzielt: (1) Die Entwicklung aller Solitonparameter wird korrekt vorhergesagt. Insbesondere wird die mögliche Verstärkung der Solitonamplitude erfolgreich bestimmt. (2) Passende Intervalle der Kontrollparameter, die eine effektive Solitonmanipulation garantieren, können quantitativ bestimmt werden. (3) Der Raman-Effekt wurde in die Modellbeschreibung eingebunden. Die klassische Abschätzung der Eigenfrequenzverschiebung des Solitons durch den Raman-Effekt wurde verbessert und erweitert durch eine neue Relation für den einhergehenden Amplitudenverlust. Weiterhin wurden solche Kontrollpulse bestimmt, die dieser Schwächung des Solitons entgegenwirken. Im Unterschied zu früheren Versuchen liefert die hier entwickelte Modellbeschreibung die passenden Parameterbereiche für eine stabile Auslöschung des Raman-Effektes. (4) Obwohl die Wechselwirkung selbst auf der Kreuzphasenmodulation basiert, spielt der ”self-steepening“- Effekt, der die Bildung von optischen Schocks beschreibt, eine entscheidende Rolle für eine effiziente Veränderung der Solitonparameter. / This work discusses the problem how to control an optical soliton propagating along a non- linear fiber. The approach chosen here is to change soliton delay, duration and intensity in a simple, predictable manner by applying low-intensity velocity-matched dispersive light waves. A new analytic theory of cross-phase modulation interactions of solitons with dispersive control waves is presented which combines quantum mechanical scattering theory, a modified soliton perturbation theory and a multi-scale approach. This led to the following new results: (1) The evolution of all soliton parameters is correctly predicted. In particular the possible amplitude enhancement of solitons is successfully quantified, which could not be obtained by the standard formulation of the soliton perturbation theory. (2) General ranges for control parameters are quantitatively determined, which ensure an effective interaction. (3) The Raman effect is incorporated into the theory. The classical estimation of the Raman self-frequency shift is refined and expanded by a new relation for the amplitude loss arising with the Raman self-frequency shift. Furthermore, control pulses are identified which cancel soliton degradation due to Raman effect. In contrast to previously reported attempts with the interaction scheme under consideration, even parameter ranges are found which lead to a stable cancellation of the Raman effect. (4) New qualitative insights into the underlying process emerged. The prominent role of the self-steepening effect could be isolated. Though the pulse interaction is mediated by cross-phase modulation, the self-steepening effect causes an essential enhancement leading to much stronger changes in soliton parameters.

<p>Коришћењем интердигиталног кондензатора и микроконтролера, систем за препознавање течности је имплементиран и испитан. Пермитивност течних узорака је коришћена као физичка особина на основу које се врши препознавање. Инвазивна и неинвазивна конфигурација сензора је израђена и испитана. Резултати указују на могућност развоја компактних, минијатурних уређаја за теренску употребу.</p> / <p>Korišćenjem interdigitalnog kondenzatora i mikrokontrolera, sistem za prepoznavanje tečnosti je implementiran i ispitan. Permitivnost tečnih uzoraka je korišćena kao fizička osobina na osnovu koje se vrši prepoznavanje. Invazivna i neinvazivna konfiguracija senzora je izrađena i ispitana. Rezultati ukazuju na mogućnost razvoja kompaktnih, minijaturnih uređaja za terensku upotrebu.</p> / <p>By using interdigital capacitor and a microcontroller, a system for liquid-type<br />recognition has been developed and examined. Permittivity of liquid samples<br />has been used as a physical property for recognition. Invasive and noninvasive<br />sensor configuration has been implemented and examined. Results<br />imply the possibility to develop compact, miniature, on-field devices.</p>

<div>Pavement drainage systems are one of the key drivers of pavement function and longevity, and effective drain maintenance can significantly extend a pavement's service life. Maintenance of these drains, however, is often hampered by the challenge of locating the drains. Ground Penetrating Radar (GPR) typically offers a rapid and effective method to detect these underground targets. However, typical detection schema that rely upon the observation of the hyperbolic return from a GPR scan of a buried conduit still tend to miss many of the older drains beneath pavements as they may be partially or fully filled with sediment and/or may be fabricated from clay or other earthen materials, yielding a return signal that is convolved with significant background noise. </div><div><br></div><div>To manage this challenge, this work puts forward an improved background noise and clutter reduction method to enhance the target signals in what amounts to a constructed environment that tends to have more consistent subsurface properties than one might encounter in a general setting. Within this technique, two major algorithms are employed. Algorithm 1 is the core of this method, and plays the role of reducing background noise and clutter. Algorithm 2 is supplementary, and helps eliminate anomalous discontinuous returns generated by the equipment itself, which could otherwise lead to false detection indications in the output of Algorithm 1. Instead of traditional 2-D GPR images, the result of the proposed algorithms is a 1-D plot along the survey line, highlighting a set of “points of interest” that could indicate buried drain locations identified at any given GPR operating frequency. Subsurface exploration using two different operating frequencies, 900 MHz and 400 MHz herein, is then employed to further enhance detection confidence. Points of interest are ultimately coded to define the confidence of the detection. Comparing the final result of proposed algorithms with the original GPR images, the improved algorithm is demonstrated to provide significantly improved detection results, and could potentially be applied to similar problems in other contexts.</div><div><br></div><div>Besides the background reduction methods, a group of simulations performed using GPRMAX2D software are examined to explore the influence of road cross-section designs on sub-pavement drainage conduit GPR signatures, and evaluate the effectiveness of alternate GPR antennae configurations in locating these buried conduits in different ground conditions. Two different models were explored to simulate conduit detection. In addition, different pipe and soil conditions were modeled, such as pipe size, pipe material, soil moisture level, and soil type. Four different quantitative measurements are used to analyze GPR performance based on different key factors. The four measurements are 1) signal to background ratio (SBR) in dB; 2) signal to receiver noise ratio (SNR) in dB; 3) signal energy in Volts; and 4) average signal band power in Watts.</div><div><br></div><div>The water and clay content of subsurface soil can significantly influence the detection results obtained from ground penetrating radar (GPR). Due to the variation of the material properties underground, the center frequency of transmitted GPR signals shifts to a lower range as wave attenuation increases. Examination of wave propagation in the subsurface employing an attenuation filter based on a linear system model shows that received GPR signals will be shifted to lower frequencies than those originally transmitted. The amount of the shift is controlled by a wave attenuation factor, which is determined by the dielectric constant, electric conductivity, and magnetic susceptibility of the transmitted medium. This work introduces a receiver-transmitter-receiver dual-frequency configuration for GPR that employs two operational frequencies for a given test - one higher and one slightly lower - to take advantage of this phenomenon to improve subpavement drain detection results. In this configuration, the original signal is transmitted from the higher frequency transmitter. After traveling through underground materials, the signal is received by two receivers with different frequencies. One of the receivers has the same higher center frequency as the transmitter, and the other receiver has a lower center frequency. This configuration can be expressed as Rx(low-frequency)-Tx(high-frequency)-Rx(high-frequency) and was applied in both laboratory experiments and field tests. Results are analyzed in the frequency domain to evaluate and compare the properties of the signal obtained by both receivers. The laboratory experiment used the configuration of Rx(400MHz)-Tx(900MHz)-Rx(900MHz). The field tests, in addition to the configuration used in the lab tests, employed another configuration of Rx(270MHz)-Tx(400MHz)-Rx(400MHz) to obtain more information about this phenomenon. Both lab and field test results illustrate the frequency-shift phenomenon described by theoretical calculations. Based on the power spectrum for each signal, the lower frequency antenna typically received more energy (higher density values) at its peak frequency than the higher frequency antenna.</div>