Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis contributes to the analysis, project and implementation of discrete-time controllers based on the Internal Model Principle, aiming to improve the performance of three-leg three-phase PWM inverters with insulating output transformer usually found in the output stage of medium power double-conversion UPS. Initially, an investigation about issues concerning to the discrete-time models of three-phase inverters with space vector modulation and the LC filter have been carried out. This investigation shows the impact of different switching sequences, sampling instants and filter cut-off frequency on the harmonic spectrum of sampled variables used for feedback. This is a concern when the switching frequency is low to limit the switching losses as in medium and high power UPS. In this way, this thesis proposes sampling methods that make possible to reduce the low order harmonics on the interest variables, which is relevant when state feedback is used. These methods allow to obtain discrete-time average linear models useful for the controller design. In addition, the saturation of the insulating transformer is addressed in details. The dc component arising from the digital implementation and from the circuit measures non idealities, and then amplified by an inadequate choice of the controller, may lead the transformer to saturate. In order to solve this problem, and in accordance with the Internal Model Principle, internal models adequate to the plant under consideration as well as discrete-time voltage controllers in stationary and synchronous frames which are not prone to amplify the dc component, are proposed. Another goal of this thesis is the improvement of the UPS output voltage transient response due to linear and non linear load steps. This is obtained considering the sampling methods before mentioned, combined with internal models with reduced number of poles and low sampling rate. It is demonstrated that it is possible to improve significantly the output voltage transient responses, as well as to satisfy the rigorous classification of the standard IEC62040-3 for UPS without degrading the steady state performance. In addition, these control structures have enough stability margins, as proved in each case, and they results in simple and attractive solutions to be implemented in 8 or 16 bits fixed-point arithmetic microcontrollers and DSP with reduced memory space. The feasibility of the proposed solutions is verified with experimental results demonstrating both transient and steady-state performances. Finally, a comparative analysis of the proposed control structures, over the light of the standard IEC62040-3, is presented. / A presente tese de doutorado contribui para a análise, projeto e implementação de controladores discretos baseados no Princípio do Modelo Interno, com o intuito de aprimorar o desempenho de inversores trifásicos PWM a três braços com transformador isolador usualmente utilizados no estágio de saída de UPS de dupla conversão de média potência. Inicialmente se realiza uma investigação sobre os aspectos relacionados à obtenção do modelo discreto de inversores trifásicos com modulação space vector e do filtro de saída. Essa investigação mostra o impacto de diferentes seqüências de comutação, instantes de amostragem e freqüência de corte do filtro no conteúdo harmônico das variáveis amostradas usadas para realimentação. Isso é uma preocupação quando a freqüência de comutação é baixa para limitar as perdas em UPS de média e alta potência. Nesse sentido essa tese propõe métodos de amostragem que possibilitam reduzir as harmônicas de baixa ordem nas variáveis de interesse o que adquire importância quando se realiza a realimentação dos estados da planta. Esses métodos permitem a obtenção de modelos médios lineares úteis para o projeto do controlador. Além disso, a saturação do transformador de isolação é analisada em detalhe. A componente contínua oriunda da implementação digital e das não idealidades dos circuitos de medição, e amplificada por uma escolha inadequada do controlador, pode levar o transformador à saturação. Com o intuito de solucionar esse problema, e de acordo com a teoria do Princípio do Modelo Interno, são propostos modelos internos adequados à planta em questão bem como controladores discretos de tensão em eixos estacionários e síncronos, que não tem tendência a amplificar a componente contínua. Outro dos objetivos dessa tese é o aprimoramento da resposta transitória das tensões de saída da UPS na presença de degraus de carga linear e não linear. Isso é obtido considerando-se os métodos de amostragem mencionados acima, combinado com modelos internos com número de pólos e taxa de amostragem reduzidos. Demonstra-se que é possível aprimorar significativamente a resposta transitória das tensões de saída bem como satisfazer a exigente classificação da norma IEC62040-3 para UPS, sem degradar o desempenho de regime permanente. Além disso, essas estruturas de controle possuem suficiente margem de estabilidade, como provado em cada caso, e estas resultam em soluções simples e atrativas para serem implementadas em microcontroladores e DSP de aritmética de ponto fixo, com palavras de 8 e 16 bits e capacidade reduzida de memória. A viabilidade prática das propostas realizadas é verificada com resultados experimentais em regime permanente e transitório. Finalmente, apresenta-se uma análise comparativa das estruturas de controle propostas, sob o enfoque da norma IEC62040-3.

Grazed pastures are the backbone of the Brazilian livestock industry and grasses of the genus Brachiaria (syn. Urochloa) are some of most used tropical forages in the country. Although the dependence on the forage resource is high, grazing management is often empirical and based on broad and non-specific guidelines. Mulato II brachiariagrass (Convert HD 364, Dow AgroSciences, São Paulo, Brazil) (B. brizantha × B. ruziziensis × B. decumbens), a new Brachiaria hybrid, was released as an option for a broad range of environmental conditions. There is no scientific information on specific management practices for Mulato II under continuous stocking in Brazil. The objectives of this research were to describe and explain variations in carbon assimilation, herbage accumulation (HA), plant-part accumulation, nutritive value, and grazing efficiency (GE) of Mulato II brachiariagrass as affected by canopy height and growth rate, the latter imposed by N fertilization rate, under continuous stocking. An experiment was carried out in Piracicaba, SP, Brazil, during two summer grazing seasons. The experimental design was a randomized complete block, with a 3 x 2 factorial arrangement, corresponding to three steady-state canopy heights (10, 25 and 40 cm) maintained by mimicked continuous stocking and two growth rates (imposed as 50 and 250 kg N ha-1 yr-1), with three replications. There were no height × N rate interactions for most of the responses studied. The HA of Mulato II increased linearly (8640 to 13400 kg DM ha-1 yr-1), the in vitro digestible organic matter (IVDOM) decreased linearly (652 to 586 g kg-1), and the GE decreased (65 to 44%) as canopy height increased. Thus, although GE and IVDOM were greatest at 10 cm height, HA was 36% less for the 10- than for the 40-cm height. The leaf carbon assimilation was greater for the shortest canopy (10 cm), but canopy assimilation was less than in taller canopies, likely a result of less leaf area index (LAI). The reductions in HA, plant-part accumulation, and LAI, were not associated with other signs of stand deterioration. Leaf was the main plant-part accumulated, at a rate that increased from 70 to 100 kg DM ha-1 d-1 as canopy height increased from 10 to 40 cm. Mulato II was less productive (7940 vs. 13380 kg ha-1 yr-1) and had lesser IVDOM (581 vs. 652 g kg-1) at the lower N rate. The increase in N rate affected plant growth, increasing carbon assimilation, LAI, rates of plant-part accumulation (leaf, stem, and dead), and HA. The results indicate that the increase in the rate of dead material accumulation due to more N applied is a result of overall increase in the accumulation rates of all plant-parts. Taller canopies (25 or 40 cm) are advantageous for herbage accumulation of Mulato II, but nutritive value and GE was greater for 25 cm, suggesting that maintaining ∼25-cm canopy height is optimal for continuously stocked Mulato II. / As pastagens são o elemento central da pecuária brasileira, sendo as gramíneas do gênero Brachiaria (sin. Urochloa) as plantas forrageiras tropicais mais utilizadas. O capim Mulato II (Convert HD 364, Dow AgroSciences, São Paulo, Brazil) (B. brizantha × B. ruziziensis × B. decumbens) foi lançado como uma opção para diversas condições ambientais e de manejo. Entretanto não existem informações de práticas de manejo específicas para o capim Mulato II sob lotação contínua no Brasil. Os objetivos desse estudo foram descrever e explicar variações na assimilação de carbono, acúmulo de forragem (AF), acúmulo de componentes morfológicos no dossel, valor nutritivo e eficiência de pastejo (EP) do capim Mulato II em resposta a alturas do dossel mantidas constantes e taxas de crescimento impostas por doses de nitrogênio sob lotação contínua. Um experimento foi conduzido em Piracicaba- SP, durante dois verões agrostológicos, utilizando o delineamento experimental de blocos completos casualizados com arranjo fatorial 3 × 2, correspondendo a três alturas (10, 25 e 40 cm) e duas doses de N (50 e 250 kg N ha-1 ano-1), com três repetições. A maior parte das variáveis estudadas não foram afetadas pela interação altura × dose de N. O AF do capim Mulato II aumentou linearmente (de 8640 para 13400 kg MS ha-1 ano-1), a digestibilidade in vitro da matéria orgânica (DIVMO) reduziu linearmente (de 652 para 586 g kg-1), e a EP foi reduzida (efeito linear e quadrático) de 65 para 44% com o aumento da altura do dossel. Com isso, embora a EP e a DIVMO tenham sido maiores em dosséis mantidos a 10 cm, o AF foi reduzido em 36% em comparação com aquele a 40 cm. As taxas de assimilação de carbono de folhas foi maior nos dosséis mantidos a 10 cm, mas a assimilação do dossel foi maior nos dosséis mais altos devido ao maior índice de área foliar (IAF). A redução do AF, do acúmulo de componentes morfológicos e do IAF não foram associados com outros sinais de deterioração do dossel. Folha foi o principal componente morfológico acumulado e a taxa de acúmulo aumentou linearmente de 70 para 100 kg DM ha-1 dia-1 quando a altura de manejo aumentou de 10 para 40 cm. O capim Mulato II foi menos produtivo (7940 vs. 13380 kg ha-1 ano-1) e apresentou menor DIVMO (581 vs. 652 g kg-1) na menor dose de N. O aumento na dose de N afetou o crescimento da planta, resultando em aumentos na assimilação de carbono, IAF, acúmulo de componentes morfológicos e AF. Os resultados indicam que o aumento nas taxas de acúmulo de material morto devido a maior dose de N foi resultado do aumento nas taxas de acúmulo de todos os componentes morfológicos do dossel. A manutenção do dossel mais alto (25 ou 40 cm) pode ser vantajosa devido ao aumento no AF do capim Mulato II, embora o valor nutritivo e EP tenha sido maior a 25 cm, sugerindo que esse capim deve ser mantido na altura de ∼25-cm quando manejado sob lotação contínua.

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Aiming to achieve the better efficiency in the use of bandwidth (spectral efficiency), as well as a compromise with the energy utilized in the process (power efficiency), the service operators are obliged to change the way in which the information is conveyed. The simplicity of the OOK modulation format has always been the main reason for using it in optical communications. Hence, once the coherent technologies had reached the maturity from a commercial point of view, they have become real alternatives to extend the capacity of networks. In this thesis, the performance of single and multirate FFH-OCDMA networks based on coherent modulation formats is addressed. The following modulation formats are assumed: binary and quadrature phase shift keying (BPSK and QPSK). For single rate networks, BPSK or QPSK are used as the modulation format for all users. For multirate networks, on the other hand, BPSK and QPSK modulation formats are employed for low and high rate transmission users, respectively. For both networks, new bit error rate (BER) formalisms regarding the main deleterious source in OCDMA are derived, namely multipleaccess interference (MAI). The mathematical formalism developed here accounts for any kind of users\' signal waveforms (which are accurately accounted for at the desired user\'s receiver). As a result, it can be successfully used to carry out performance analysis of any OCDMA network. Moreover, it is shown that both low and high rate users can surprisingly achieve similar BER levels. In addition, it is demonstrated that incoherent OOK-based networks are not good candidates for future single and multirate FFH-OCDMA implementations in this interference limited scenario. On the other hand, our results pave the way for BPSK- and QPSK -based networks, which are seen as potential candidates for next generation passive optical networks (NG-PON2), where higher data rates and a vast amount of users will be major network requirements. / No intuito de alcançar uma melhor eficiência no uso da largura de banda (eficiência espectral), bem como um compromisso com a energia utilizada no processo de transmissão de informações (eficiência em potência), as operadoras de serviços estão sendo obrigadas a alterar o modo em que a informações estão sendo transmitidas. Neste sentido, a simplicidade do formato de modulação OOK sempre foi a principal razão para a sua utilização em sistemas de comunicações ópticas. Assim, uma vez que a tecnologia coerente tem alcançado a maturidade do ponto de vista comercial, estas são reais alternativas para aumentar a capacidade das redes de comunicação ópticas. Nesta tese, são avaliados os desempenhos de redes FFH-OCDMA convencionais e de múltiplas taxas baseadas em formatos de modulação coerentes. Os seguintes formatos de modulação assumidos são: modulação por chaveamento de fase binário e por quadratura (BPSK e QPSK). Para redes convencionais, BPSK e QPSK são utilizados como formatos de modulação para todos os usuários. Por outro lado, para redes de múltiplas taxas de transmissão, os formatos de modulação BPSK e QPSK são empregados para baixas e altas taxas, respectivamente. Para ambas as redes, foram derivados novos formalismos matemáticos considerando a principal fonte deletéria de desempenho em OCDMA, comumente chamada de MAI, no cálculo da BER. Os formalismos matemáticos desenvolvidos são generalizados para quaisquer tipos de formas de onda empregada nos sinais dos usuários (as quais são contabilizadas precisamente no receptor do usuário de interesse). Como resultados, o formalismo matemático pode ser utilizado com sucesso para realizar a análise de desempenho de qualquer rede OCDMA. Adicionalmente, é demonstrado que ambos os usuários em baixa ou alta taxa de transmissão podem surpreendentemente alcançar níveis similares de BER. Concomitantemente, é observado que redes incoerentes baseadas em OOK não são boas candidatas para implementações convencionais e de múltiplas taxas de transmissão considerando esse cenário limitado por interferência. Por outro lado, os resultados trilham o caminho para redes baseadas em BPSK e QPSK, as quais são potenciais candidatas para a próxima geração de redes ópticas passivas (NG-PON2), onde os maiores requisitos são as altas taxas de transmissão e grande capacidade de inserção simultânea de usuários.

The significant advances in fiber-optic technology have broadened the optical network\'s reach into end-user business premises and even homes, allowing new services and technologies to be delivered to the customers. The next wave of innovation will certainly generate numerous opportunities provided by the widespread popularity of emerging solutions and applications such as tactile Internet, telemedicine and real time 3-D content generation, making them part of everyday life. Nevertheless, to support such an unprecedented and insatiable demand of data traffic, higher capacity and security, flexible bandwidth allocation and cost-efficiency have become crucial requirements for technologies candidate for future optical access networks. To this aim, optical code-division multiple-access (OCDMA) technology is considered as a prospective candidate, particularly due to features like asynchronous transmissions, flexible as well as conscious bandwidth resource distribution and support to differentiated services at the physical layer, to name but a few. In this context, this thesis proposes new mathematical formalisms for bit error rate, packet throughput and packet delay to assess the performance of flexible OCDMA networks capable of providing multiservice multirate transmissions according to users\' requirements. The proposed analytical formalisms do not require the knowledge a priori of the users\' code sequences, which means that the network performance can be addressed in a simple and straightforward manner using the code parameters only. In addition, the developed analytical formalisms account for a general number of distinct users\' classes as well as general probability of interference among users. Hence, these formalisms can be successfully applied for performance evaluation of flexible OCDMA networks not only under any number of users\' classes in a network, but also for most spreading codes with good correlation properties. The packet throughput expression is derived assuming Poisson, binomial and Markov chain approaches for the composite packet arrivals with the latter defined as benchmark. Then, it is shown via numerical simulation the Poisson-based expression is not appropriate for a reliable throughput estimate when compared to the benchmark (Markov) results. The binomial-based throughput equation, by its turn, provides results as accurate as the benchmark. In addition, the binomial-based throughput is numerically more convenient and computationally more efficient than the Markov chain approach, whereas the Markov-based one is computationally expensive, particularly if the number of users is large. The bit error rate (BER) expressions are derived considering gaussian and binomial distributions for the multiple-access interference and it is shown via numerical simulations that accurate performance of flexible OCDMA networks is only obtained with the binomial-based BER expression. This thesis also proposes and investigates a network architecture for Internet protocol traffic over flexible OCDMA with support to multiservice multirate transmissions, which is independent of the employed spreading code and does not require any new optical processing technology. In addition, the network performance assumes users transmitting asynchronously using receptors based on intensity-modulation direct-detection schemes. Numerical simulations shown that the proposed network performs well when its users are defined with high-weight code or when the channel utilization is low. The BER and packet throughput performance of an OCDMA network that provides multirate transmissions via multicode technique with two codes assigned to each single user is also addressed. Numerical results show that this technique outperforms classical techniques based on multilength code. Finally, this thesis addresses a new breakthrough technology that might lead to higher levels of security at the physical layer of optical networks. This technology consists in the generation of deterministic chaos from a commercial free-running vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL). The chaotic dynamics is generated by means of mechanical strains loaded onto an off-the-shelf quantum-well VCSEL using a simple and easily replicable holder. Deterministic chaos is then achieved, for the first time, without any additional complexity of optical feedback, parameter modulation or optical injection. The simplicity of the proposed system, which is based entirely on low-cost and easily available components, opens the way to the widespread use of commercial and free-running VCSEL devices for chaos-based applications. This off-the-shelf and cost-effective optical chaos generator has the potential for not only paving the way towards new security platforms in optical networks like, for example, successfully hiding the user information in an unpredictable, random-like signal against eventual eavesdroppers, but also for influencing emerging chaos applications initially limited or infeasible due to the lack of low-cost solutions. Furthermore, it leads the way to future realization of emerging applications with high-integrability and -scalability such as two-dimensional arrays of chaotic devices comprising hundreds of individual sources to increase requirements for random bit generation, cryptography or large-scale quantum networks. / Os avanços relacionados a tecnologia fotônica ampliaram o alcance das redes de comunicação óptica tanto em instalações de estabelecimentos comerciais quanto em residências, permitindo que novos serviços e tecnologias fossem entregues aos clientes. A próxima onda de inovação certamente gerará inúmeras oportunidades proporcionadas pela popularidade de soluções emergentes e aplicações como a Internet tátil, a telemedicina e a geração de conteúdo 3-D em tempo real, tornando-os parte da vida cotidiana. No entanto, para suportar a crescente demanda de tráfego atual, uma maior capacidade e segurança, alocação flexível de largura de banda e custo-eficiência tornaram-se requisitos cruciais para as tecnologias candidatas a futuras redes de acesso óptico. Para este fim, a tecnologia de acesso múltiplo por divisão de código óptico (OCDMA) é considerada um candidato em potencial, particularmente devido a características como transmissões assíncronas, distribuição flexível de banda larga e suporte a serviços diferenciados na camada física, para citar apenas alguns. Neste contexto, esta tese propõe novos formalismos matemáticos para a taxa de erro de bits, taxa de transferência de pacotes e atraso de pacotes para avaliar o desempenho de redes OCDMA flexíveis capazes de fornecer transmissões em múltiplas qualidades de serviço (QoS) de acordo com as necessidades dos usuários. Os formalismos analíticos propostos não requerem o conhecimento a priori das sequências de código dos usuários, o que significa que o desempenho da rede pode ser abordado de forma simples e direta usando apenas os parâmetros de código. Além disso, os formalismos analíticos desenvolvidos representam um número geral de classes de usuários distintos, bem como a probabilidade geral de interferência entre os usuários. Portanto, esses formalismos podem ser aplicados com sucesso na avaliação de desempenho de redes OCDMA flexíveis não apenas em qualquer número de classes de usuários em uma rede, mas também para a maioria dos códigos de espalhamento com boas propriedades de correlação. A expressão de taxa de transferência de pacotes é derivada assumindo aproximações de Poisson, binomial e de cadeia de Markov para as chegadas de pacotes compostos, com a última definida como benchmark. Em seguida, é mostrado via simulação numérica que a expressão baseada em Poisson não é apropriada para uma estimativa confiável de taxa de transferência quando comparada aos resultados de benchmark (Markov). A equação de taxa de transferência binomial, por sua vez, fornece resultados tão precisos quanto o benchmark. Além disso, a taxa de transferência binomial é numericamente mais conveniente e computacionalmente eficiente quando comparada com abordagem de Markov, enquanto esta última é computacionalmente dispendiosa, particularmente se o número de usuários é grande. As expressões de taxa de erro de bit (BER) são derivadas considerando distribuições gaussianas e binomiais para a interferência de acesso múltiplo e é mostrado por meio de simulações numéricas que o desempenho exato de redes OCDMA flexíveis é obtido somente com a expressão binomial de BER. Esta tese também propõe e investiga uma arquitetura de rede para o tráfego de protocolo de Internet sobre OCDMA flexível com suporte a transmissões de QoS e de múltiplas taxas, que é independente do código de espalhamento empregado e não requer qualquer nova tecnologia de processamento óptico. Além disso, o desempenho da rede assume que os usuários transmitem de forma assíncrona usando receptores baseados em esquemas de detecção direta de modulação de intensidade. As simulações numéricas mostraram que a rede proposta possui melhor desempenho quando seus usuários são definidos com peso de código alto ou quando a utilização do canal é baixa. O desempenho da BER e da taxa de transferência de pacotes de uma rede OCDMA que fornece transmissões de múltiplas taxas por meio de uma técnica multi-código com dois códigos atribuídos a cada usuário é também abordado. Os resultados numéricos mostram que esta técnica supera as técnicas clássicas baseadas no código de comprimento múltiplo. Finalmente, esta tese aborda uma nova tecnologia que pode levar a níveis mais elevados de segurança na camada física de redes ópticas. Esta tecnologia consiste na geração de caos determinístico a partir de um laser de emissão superficial com cavidade vertical (VCSEL). A dinâmica caótica é gerada através da aplicação de forças mecânicas em um VCSEL comercial usando um suporte simples e facilmente replicável. O caos determinístico é então alcançado, pela primeira vez, sem qualquer complexidade adicional de realimentação óptica, modulação de parâmetros ou injeção óptica. A simplicidade do sistema proposto, o qual se baseia inteiramente em componentes de baixo custo e que são facilmente encontrados, abre o caminho para o uso de dispositivos VCSEL comerciais para aplicações baseadas em caos. Este gerador de caos óptico tem o potencial não só de pavimentar o caminho para novas plataformas de segurança em redes ópticas, como, por exemplo, ocultar com êxito as informações do usuário em um sinal imprevisível e aleatório contra eventuais invasores, como também tem o potencial de influenciar aplicações de caos emergentes inicialmente limitadas ou inviáveis devido à falta de soluções de baixo custo. Além disso, ele conduz o caminho para a realização futura de aplicações emergentes com alta integridade e escalabilidade, tais como matrizes bidimensionais de dispositivos caóticos que compreendem centenas de fontes individuais para aumentar as necessidades de geração de bit aleatória, criptografia ou redes quânticas de grande escala.

[pt] Esta dissertação propõe algoritmos para codificações de voz a taxas médias em torno de 1,2 Kb/s. Um esquema de quantização vetorial preditiva chaveada com desempenho superior aos esquemas previamente descritos na literatura é proposto e avaliado em canal com ou sem ruído. Detectores eficientes de período fundamental e de sons oclusivos e fricativos são examinados e adaptados ao codificador proposto. Técnicas de exitação a baixas taxas de bits são investigadas a fim de reproduzir uma boa qualidade de voz decodificada. O modelo de exitação mista em multi-bandas com três sub-bandas é adotado para codificar os quadros sonoros. Para os quadros surdos são empregadas técnicas de modelagem e síntese de sinais fricativos e oclusivos, capazes de oferecer qualidade de voz satisfatória, reduzindo a taxa de bits destes quadros para apenas 0,4 Kb/s. Técnicas de pós-filtragem para reduzir o ruído de codificação e melhorar a qualidade de voz reconstruída são também examinadas e comparadas em uma mesma plataforma. Para reduzir o nível de ruído ambiente são ainda analisados métodos de supressão de ruído. Finalmente, o codificador proposto é comparado ao padrão norte-americano Mixed Excitation Linear Prediction (MELP), por meios de teste de comparação do tipo A/B. Os testes realizados indicam que o sistema proposto, operando a 1,2 Kb/s, apresenta qualidade de voz ligeiramente superior ao MELP, operando a 2,4 Kb/s. Para situações de transcodificação, o codificador proposto também apresenta desempenho superior ao MELP. / [en] This dissertation presents algorithms to encode at an avarage bit rate of 1.2 Kb/s. A novel switched-predictive vector quantiser technique that outperforms previously reported schemes is proposed and assessed under noise-free and noisy channels. Efficient detectors for the pitch period and fricative and stop sounds are examined and adapted to the proposed coder. Low bit rate excitation methods are investigated in order to reproduce rather high quality speech. A mixed multiband excitation approach with three sub-bands is employed to encode voiced frames. For unvoiced frames, fricatives and stops modelling and synthesis techniques are used. This approach has shown to provide high quality synthesised speech, whilts it reduces the bit rate to only 0.4 Kb/s for unvoiced frames. To reduce coding noise and improve decoded speech, post- filtering techniques are analysed and compared on the same plataform. To reduce background noise, noise suppression methods are also examined. Finally, the propose coder is evaluated against the North American Mixed Prediction (MELP) coder, through A/B comparison tests. Assessment results have shown that the proposed system, operating at 1.2 Kb/s, slightly outperformed the MELP coder, operating at 2.4 Kb/s. For tandem connection situations, the proposed algorithm has presented a superior performance than the MELP coder. / [es] Esta disertación propone algoritmos para codificaciones de voz a tasas medias en torno de 1,2 Kb/s. Se propone un esquema de cuantización vectorial predictiva, con desempeño superior a los esquemas previamente descritos en la literatura. Este esquema se evalúa en canal con o sin ruido. Se examinan detectores eficientes de período fundamental y de sueños oclusivos y fricativos se adaptan al codificador propuesto. Técnicas de exitación a bajas tasas de bits son investigadas a fin de reproducir una boa calidad de voz decodificada. Se adopta el modelo de exitación mixta en multi-bandas con tres sub-bandas para codificar los cuadros sonoros. Para los cuadros surdos se emplean técnicas de modelación y síntesis de señales fricativos y oclusivos, capaces de ofrecer calidad de voz satisfactoria, reduciendo la tasa de bits de estos cuadros para apenas 0,4 Kb/s. También se examinan y se comparan las técnicas de pós-filtragen para reducir el ruido de codificación y mejorar la calidad de voz reconstruída. Para reducir el nível de ruído ambiente se analizan métodos de supresión de ruido. Finalmente, el codificador propuesto se compara al padrón norteamericano Mixed Excitation Lineal Prediction (MELP), por medio de pruebas de comparación del tipo LA/B. Las pruebas realizadas indican que el sistema propuesto, operando a 1,2 Kb/s, presenta calidad de voz ligeramente superior al MELP, operando a 2,4 Kb/s. Para situaciones de transcodificación, el codificador propuesto también presenta desempeño superior al MELP.

The continuous evolution of the optical communication technology in the last few years has allowed the growing users demand for higher bandwidth to be satisfactorily attended. This new demand is mainly attributed to the growing popularity of bandwidth-intensive networking applications, such as Internet protocol television (IPTV), high-definition television (HDTV), e-learning, e-health, super high-definition (SHD) class digital movies, and e-culture based on 3-D full-HD video. These applications will eventually require differentiated service types and diversified data rates. As a result, capability of supporting differentiated-quality of service (QoS) and multirate transmission are becoming a challenge for future optical networks. Among many multiplexing techniques, optical code-division multiple-access (OCDMA) constitutes a potential candidate for next generation optical networks, particularly due to features like asynchronous operation, simplified network control, easy addition of new users, and possibility of differentiated-QoS at the physical layer. The performance of this access technique is mainly limited by multiple-access interference (MAI). Although in multirate, multiservice OCDMA systems MAI is considered to be binomially distributed, others probability distributions for the MAI analyzes and consequently the bit error rate (BER) have been used as an approximation. In this context, this dissertation proposes a new formalism to evaluate the BER performance of 1-D and 2-D multirate, multiservice OCDMA systems considering MAI as binomially distributed, resulting in a more accurate BER expression. Also, the proposed approach does not require knowledge a priori of the generated code sequences themselves, which means that the system performance analysis is achieved more easily using only the code parameters. Furthermore, a multirate OCDMA system employing 1-D optical orthogonal code (OOC) and 2-D optical fast frequency hopping (OFFH) codes is also investigated. A performance comparison in terms of BER for the OOC-based system assuming both Poisson and binomial distribution for the MAI is investigated. A further comparison of an OFFH-based multirate system assuming both gaussian and binomial distribution for the MAI is also analyzed. It is shown that BER performance in multirate scenarios can be overestimated or underestimated by many orders of magnitude depending on the assumed distribution for the MAI and on the number of simultaneous users. Moreover, it is presented for the first time a hybrid OCDM/WDM optical packet switch capable of supporting multirate and differentiated-QoS transmission. The architecture of the proposed multirate switch and its performance in terms of packet loss probability are also presented. Finally, it is shown that using a gaussian or Poisson distribution for the MAI might not be appropriate for a reliable BER estimate, since they are not acceptable approximations to assess the performance of multirate, multiservice systems with good accuracy. / A contínua evolução da tecnologia de comunicações ópticas observada nos últimos anos vem possibilitando atender a crescente demanda dos usuários por maior largura de banda. Esta nova demanda é atribuída principalmente à popularidade crescente de aplicações de banda larga, tais como TV por protocolo de Internet (IPTV), televisão de alta definição (HDTV), ensino online, e-saúde, filmes digitais de super alta definição (SHD) e e-cultura baseado em vídeo 3-D full-HD. Esta vasta gama de aplicações acabará por necessitar de tipos de serviços diferenciados e taxas de transmissão de dados diversificadas. Como resultado, capacidades de suportar diferenciamento de qualidade de serviço (QoS) e transmissão de múltiplas taxas estão se tornando um desafio para as redes ópticas futuras. Dentre muitas técnicas de multiplexação existentes, OCDMA constitui-se em um candidato potencial para as redes ópticas de próxima geração, particularmente devido a características como operação assíncrona, controle de rede simplificada, fácil adição de novos usuários, e também possibilidade de QoS diferenciado na camada física. O desempenho desta técnica de acesso múltiplo é limitado principalmente por interferência múltipla de acesso (MAI). Embora em sistemas OCDMA de múltiplas taxas e multiserviços a MAI deva ser considerada binomialmente distribuída, outras distribuições de probabilidade para a análise da MAI e, consequentemente, da BER têm sido utilizadas como uma aproximação. Neste contexto, este trabalho propõe um novo formalismo para avaliar o desempenho da BER de sistemas OCDMA 1-D e 2-D de múltiplas taxas e multisserviços considerando a MAI como binomialmente distribuída, o que resulta em uma expressão mais precisa para a BER. Além disso, o método proposto neste trabalho não requer conhecimento, a priori, das sequências de códigos geradas, o que significa que a análise do desempenho do sistema é obtida mais facilmente utilizando apenas os parâmetros do código. Um sistema OCDMA de múltiplas taxas empregando códigos 1-D OOC e 2-D OFFH será também investigado. Uma comparação do desempenho em termos de BER para o sistema baseado em OOC supondo tanto a distribuição de Poisson quanto a binomial para a MAI é investigada. De forma análoga, uma comparação para o sistema de múltiplas taxas baseado em OFFH supondo desta vez tanto a distribuição gaussiana quanto a binomial para a MAI também é analisada. É mostrado que a BER em cenários de múltiplas taxas pode ser superestimada ou subestimada em várias ordens de grandeza, dependendo da distribuição suposta para a MAI e do número de usuários simultâneos no sistema. Além disso, é apresentado pela primeira vez um switch óptico híbrido de pacotes OCDM/WDM capaz de prover transmissões de múltiplas taxas e serviços diferenciados. A arquitetura do switch proposto e seu desempenho em termos de probabilidade de perda de pacotes também são apresentados. Finalmente, é mostrado que o uso da distribuição gaussiana ou poissoniana para a MAI pode não ser apropriado para uma estimativa confiável de BER, uma vez que não são aproximações aceitáveis para avaliar o desempenho de sistemas de múltiplas taxas e multiserviços com boa precisão.

The continuous evolution of the optical communication technology in the last few years has allowed the growing users demand for higher bandwidth to be satisfactorily attended. This new demand is mainly attributed to the growing popularity of bandwidth-intensive networking applications, such as Internet protocol television (IPTV), high-definition television (HDTV), e-learning, e-health, super high-definition (SHD) class digital movies, and e-culture based on 3-D full-HD video. These applications will eventually require differentiated service types and diversified data rates. As a result, capability of supporting differentiated-quality of service (QoS) and multirate transmission are becoming a challenge for future optical networks. Among many multiplexing techniques, optical code-division multiple-access (OCDMA) constitutes a potential candidate for next generation optical networks, particularly due to features like asynchronous operation, simplified network control, easy addition of new users, and possibility of differentiated-QoS at the physical layer. The performance of this access technique is mainly limited by multiple-access interference (MAI). Although in multirate, multiservice OCDMA systems MAI is considered to be binomially distributed, others probability distributions for the MAI analyzes and consequently the bit error rate (BER) have been used as an approximation. In this context, this dissertation proposes a new formalism to evaluate the BER performance of 1-D and 2-D multirate, multiservice OCDMA systems considering MAI as binomially distributed, resulting in a more accurate BER expression. Also, the proposed approach does not require knowledge a priori of the generated code sequences themselves, which means that the system performance analysis is achieved more easily using only the code parameters. Furthermore, a multirate OCDMA system employing 1-D optical orthogonal code (OOC) and 2-D optical fast frequency hopping (OFFH) codes is also investigated. A performance comparison in terms of BER for the OOC-based system assuming both Poisson and binomial distribution for the MAI is investigated. A further comparison of an OFFH-based multirate system assuming both gaussian and binomial distribution for the MAI is also analyzed. It is shown that BER performance in multirate scenarios can be overestimated or underestimated by many orders of magnitude depending on the assumed distribution for the MAI and on the number of simultaneous users. Moreover, it is presented for the first time a hybrid OCDM/WDM optical packet switch capable of supporting multirate and differentiated-QoS transmission. The architecture of the proposed multirate switch and its performance in terms of packet loss probability are also presented. Finally, it is shown that using a gaussian or Poisson distribution for the MAI might not be appropriate for a reliable BER estimate, since they are not acceptable approximations to assess the performance of multirate, multiservice systems with good accuracy. / A contínua evolução da tecnologia de comunicações ópticas observada nos últimos anos vem possibilitando atender a crescente demanda dos usuários por maior largura de banda. Esta nova demanda é atribuída principalmente à popularidade crescente de aplicações de banda larga, tais como TV por protocolo de Internet (IPTV), televisão de alta definição (HDTV), ensino online, e-saúde, filmes digitais de super alta definição (SHD) e e-cultura baseado em vídeo 3-D full-HD. Esta vasta gama de aplicações acabará por necessitar de tipos de serviços diferenciados e taxas de transmissão de dados diversificadas. Como resultado, capacidades de suportar diferenciamento de qualidade de serviço (QoS) e transmissão de múltiplas taxas estão se tornando um desafio para as redes ópticas futuras. Dentre muitas técnicas de multiplexação existentes, OCDMA constitui-se em um candidato potencial para as redes ópticas de próxima geração, particularmente devido a características como operação assíncrona, controle de rede simplificada, fácil adição de novos usuários, e também possibilidade de QoS diferenciado na camada física. O desempenho desta técnica de acesso múltiplo é limitado principalmente por interferência múltipla de acesso (MAI). Embora em sistemas OCDMA de múltiplas taxas e multiserviços a MAI deva ser considerada binomialmente distribuída, outras distribuições de probabilidade para a análise da MAI e, consequentemente, da BER têm sido utilizadas como uma aproximação. Neste contexto, este trabalho propõe um novo formalismo para avaliar o desempenho da BER de sistemas OCDMA 1-D e 2-D de múltiplas taxas e multisserviços considerando a MAI como binomialmente distribuída, o que resulta em uma expressão mais precisa para a BER. Além disso, o método proposto neste trabalho não requer conhecimento, a priori, das sequências de códigos geradas, o que significa que a análise do desempenho do sistema é obtida mais facilmente utilizando apenas os parâmetros do código. Um sistema OCDMA de múltiplas taxas empregando códigos 1-D OOC e 2-D OFFH será também investigado. Uma comparação do desempenho em termos de BER para o sistema baseado em OOC supondo tanto a distribuição de Poisson quanto a binomial para a MAI é investigada. De forma análoga, uma comparação para o sistema de múltiplas taxas baseado em OFFH supondo desta vez tanto a distribuição gaussiana quanto a binomial para a MAI também é analisada. É mostrado que a BER em cenários de múltiplas taxas pode ser superestimada ou subestimada em várias ordens de grandeza, dependendo da distribuição suposta para a MAI e do número de usuários simultâneos no sistema. Além disso, é apresentado pela primeira vez um switch óptico híbrido de pacotes OCDM/WDM capaz de prover transmissões de múltiplas taxas e serviços diferenciados. A arquitetura do switch proposto e seu desempenho em termos de probabilidade de perda de pacotes também são apresentados. Finalmente, é mostrado que o uso da distribuição gaussiana ou poissoniana para a MAI pode não ser apropriado para uma estimativa confiável de BER, uma vez que não são aproximações aceitáveis para avaliar o desempenho de sistemas de múltiplas taxas e multiserviços com boa precisão.

[pt] Esta tese investiga a estimação de curvas de juros sob o ponto de vista de métodos não-paramétricos. O texto está dividido em dois blocos. O primeiro investiga a questão do critério utilizado para selecionar o método de melhor desempenho na tarefa de interpolar a curva de juros brasileira em uma dada amostra. Foi proposto um critério de seleção de método baseado em estratégias de re-amostragem do tipo leave-k-out cross validation, onde K k £ £ 1 e K é função do número de contratos observados a cada curva da amostra. Especificidades do problema reduzem o esforço computacional requerido, tornando o critério factível. A amostra tem freqüência diária: janeiro de 1997 a fevereiro de 2001. O critério proposto apontou o spline cúbico natural -utilizado com método de ajuste perfeito aos dados - como o método de melhor desempenho. Considerando a precisão de negociação, este spline mostrou-se não viesado. A análise quantitativa de seu desempenho identificou, contudo, heterocedasticidades nos erros simulados. A partir da especificação da variância condicional destes erros e de algumas hipóteses, foi proposto um esquema de intervalo de segurança para a estimação de taxas de juros pelo spline cúbico natural, empregado como método de ajuste perfeito aos dados. O backtest sugere que o esquema proposto é consistente, acomodando bem as hipóteses e aproximações envolvidas. O segundo bloco investiga a estimação da curva de juros norte-americana construída a partir dos contratos de swaps de taxas de juros dólar-Libor pela Máquina de Vetores Suporte (MVS), parte do corpo da Teoria do Aprendizado Estatístico. A pesquisa em MVS tem obtido importantes avanços teóricos, embora ainda sejam escassas as implementações em problemas reais de regressão. A MVS possui características atrativas para a modelagem de curva de juros: é capaz de introduzir já na estimação informações a priori sobre o formato da curva e sobre aspectos da formação das taxas e liquidez de cada um dos contratos a partir dos quais ela é construída. Estas últimas são quantificadas pelo bid-ask spread (BAS) de cada contrato. A formulação básica da MVS é alterada para assimilar diferentes valores do BAS sem que as propriedades dela sejam perdidas. É dada especial atenção ao levantamento de informação a priori para seleção dos parâmetros da MVS a partir do formato típico da curva. A amostra tem freqüência diária: março de 1997 a abril de 2001. Os desempenhos fora da amostra de diversas especificações da MVS foram confrontados com aqueles de outros métodos de estimação. A MVS foi o método que melhor controlou o trade- off entre viés e variância dos erros. / [en] This thesis investigates interest rates curve estimation under non-parametric approach. The text is divided into two parts. The first one focus on which criterion to use to select the best performance method in the task of interpolating Brazilian interest rate curve. A selection criterion is proposed to measure out-of-sample performance by combining resample strategies leave-k-out cross validation applied upon the whole sample curves, where K k £ £ 1 and K is function of observed contract number in each curve. Some particularities reduce substantially the required computational effort, making the proposed criterion feasible. The data sample range is daily, from January 1997 to February 2001. The proposed criterion selected natural cubic spline, used as data perfect-fitting estimation method. Considering the trade rate precision, the spline is non-biased. However, quantitative analysis of performance determinant factors showed the existence of out-of-sample error heteroskedasticities. From a conditional variance specification of these errors, a security interval scheme is proposed for interest rate generated by perfect-fitting natural cubic spline. A backtest showed that the proposed security interval is consistent, accommodating the evolved assumptions and approximations. The second part estimate US free-for-floating interest rate swap contract curve by using Support Vector Machine (SVM), a method derived from Statistical Learning Theory. The SVM research has got important theoretical results, however the number of implementation on real regression problems is low. SVM has some attractive characteristics for interest rates curves modeling: it has the ability to introduce already in its estimation process a priori information about curve shape and about liquidity and price formation aspects of the contracts that generate the curve. The last information set is quantified by the bid-ask spread. The basic SVM formulation is changed in order to be able to incorporate the different values for bid-ask spreads, without losing its properties. Great attention is given to the question of how to extract a priori information from swap curve typical shape to be used in MVS parameter selection. The data sample range is daily, from March 1997 to April 2001. The out-of-sample performances of different SVM specifications are faced with others method performances. SVM got the better control of trade- off between bias and variance of out-of-sample errors.