Spinodal decomposition is a phase separation mechanism within the miscibility gap. Its importance in case of Fe-Cr system, the basis of the whole stainless steel family, stems from a phenomenon known as the “475oC embrittlement” which results in a ruin of mechanical properties of ferritic, martensitic and duplex stainless steels. This work is aimed at a better understanding of the phase separation process in   the Fe-Cr system. Alloys of 10 to 55 wt.% Cr , each five percent, were homogenized to achieve fully ferritic microstructure and then isothermally aged at 400, 500 and 600oC for different periods of time ranging from 30min to 1500 hours. Hardness of both homogenized and aged samples were measured by the Vickers micro-hardness method and then selected samples were studied by means of Transmission Electron Microscopy (TEM).  It was observed that hardness of homogenized samples increased monotonically with increasing Cr content up to 55 wt.% which can be attributed to solution hardening as well as higher hardness of pure chromium compared to pure iron.  At 400oC no significant change in hardness was detected for aging up to 1500h, therefore we believe that phase separation effects at 400oC are very small up to this time. Sluggish kinetics is imputed to lower diffusion rate at lower temperatures. At 500oC even after 10h a noticeable change in hardness, for alloys containing 25 wt.% Cr and higher, was observed which indicates occurrence of phase separation. The alloy with 10 wt.% Cr did not show change in hardness up to 200h which suggests that this composition falls outside the miscibility gap at 500oC. For compositions of 15 and 20 wt.% Cr only a small increase in hardness was detected even after 200h of aging at 500oC, which could be due to the small amounts of α´ formed. However, it means that alloys of 15 wt.% Cr and higher are suffering phase separation. For compositions inside the miscibility gap, hardening effect is a result of phase separation either by nucleation and growth or spinodal decomposition. To distinguish between these two mechanisms, TEM studies were performed and we found evidence that at 500oC the Fe-25 wt.% Cr sample decomposes by nucleation  and growth  while that of 35 wt.% Cr  shows characteristics of the spinodal mechanism. For compositions inside the miscibility gap, with increasing Cr content up to 40% the change in hardness generally increased and for 45% and higher it always decreased. This suggests that the composition range corresponding to the spinodal region at 500oC is biased towards the Fe-rich side of the phase diagram. At 600oC only samples of 25, 30 and 35 wt.% Cr were studied because according to the previous studies, the spinodal boundary is most probably located in this composition range. However, no change in hardness was observed even up to 24h. We believe that this means the miscibility line lies below 600oC for alloys containing 35 wt.% Cr and lower. Further investigations are needed to confirm and explain this result.

De nouveaux usages des systèmes de communications sans fils, tels que les réseaux de capteurs ou les voitures autonomes, ont émergé au cours des dernières années. Ces usages sont fondamentalement différents des applications haut-débit actuelles des réseaux cellulaires. La future technologie mobile, la 5G New Radio, introduit donc le concept de numérologie du signal afin de pouvoir satisfaire aux besoin hétérogènes des multiples applications supportées. En effet en supportant différentes numérologies de signaux, l'allocation temps/fréquence des signaux devient plus flexible et le signal transmis peut être adapté en conséquence. Cependant, supporte simultanément différentes numérologies génère de l'interférence et donc distord les signaux. Les filtrages spatiaux, comme la formation de faisceaux, est envisagée en 5G pour limiter l'interférence générée mais pour les communications au-dessus de 6 GHz. Il n'y a cependant pas de solutions proposées pour mes communications en-dessous de 6 GHz. Dans ce travail, des techniques d'atténuation des lobes secondaires sont étudiées pour faciliter le multiplexage des services pour les communications sous 6 GHz. L’interférence entre-utilisateurs est alors contrôlée mais la bande est également mieux utilisée. Une solution innovante, combinant bancs de filtres et orthogonalité complexe, est proposée. L'orthogonalité complexe est garanti grâce à un précodage OFDM qui remplace le précodage OQAM communément utilisé. De plus, le système développé, le Block-Filtered OFDM, utilise un récepteur 5G classique ce qui garantit la retro-compatibilité avec les techniques déjà déployée. Le modèle du BF-OFDM est entièrement décrit et adapté aux normes des réseaux mobiles. De plus, de multiples méthodes de conception des filtres prototypes sont proposées afin de mieux répondre aux besoins des systèmes. La forme d'onde étudiée est également comparée avec les autres solutions de l'état de l'art sur des scénarios d'étude classiques mais également adaptés aux nouveaux enjeux des technologies sans fils. / New use cases for wireless communications recently emerged ranging from massive sensor networks to connected cars. These applications highly differ from typical signals supported by already deployed mobile technologies, which are mainly high data rate pipes. The forthcoming generation of mobile technology, 5G New Radio, introduces the concept of signal numerology so as to properly serve the requirements of the diverse applications it will support. Indeed by considering different numerologies, the time/frequency signal allocation is made more flexible which allows to shape the transmitted signal according to its needs. However, multiplexing signals with different numerologies generates interference and therefore signal distortion. Spatial filtering, such as beamforming, is envisioned for 5G above 6-GHz communications to limit inter-user interference. However, this issue still holds for sub-6 GHz systems where spatial filtering is not considered in 5G.In this work, we consider side lobe rejection techniques to ease service multiplexing in sub-6 GHz bands. Not only it provides inter-user interference mitigation but it also improves the bandwidth use efficiency in bands where frequency is a scarce resource. A novel solution, mixing filter-bank for confined spectrum and complex orthogonality for a straightforward re-use of known-how 4G/5G techniques, is proposed. The complex orthogonality is restored thanks to an OFDM precoding substituting the commonly used Offset-QAM signaling which limits the orthogonality to the real field. Moreover, the proposed solution, named Block-Filtered Orthogonal Frequency Division Multiplexing (BFOFDM), relies on a simple 5G receiver scheme which makes it backward compatible with already deployed technologies.The BF-OFDM system model is fully described and adapted to cellular standards. Besides, different prototype filter designs methods are proposed to either improve the intrinsic interference attenuation or to better confined the spectrum of the transmitted signal. Last but not least, the proposed waveform will be compared with state-of-the-art solutions for both typical and 5G oriented evaluation scenarios such as multi-service coexistence.

Bidirectional onboard chargers (OBCs) are becoming mainstream commercial charging equipment for electric vehicles (EVs) because of their compactness, flexibility, and demand-response capabilities for power backup. This thesis focuses on the novel phase shift (PS) modulation techniques for efficiency improvement for bidirectional OBCs, including two-stage onboard chargers (TSOBCs) and single-stage onboard chargers (SSOBCs). A comprehensive overview and investigation of the state-of-the-art solutions of bidirectional OBCs are presented. It reviews the current industrial status, industrial applications, and future trends and challenges. A detailed overview of the promising topologies for bidirectional OBCs, including two-stage and single-stage structures, is also discussed in this thesis. Traditional PS modulation has been widely used in the back-end DC/DC converters of the TSOBCs because of its simple implementation. However, it is challenging to keep high efficiency at boundary operating points within wide specifications. Therefore, to improve efficiency at the boundary point for TSOBCs, the hybrid multiple phase shift (HMPS) modulation technique with minimal peak current optimization is presented to maximize the zero-voltage switching (ZVS) range. Compared to traditional single phase shift (SPS) modulation, the experimental results verify that the presented HMPS modulation strategy provides 1%-2% higher efficiency at the boundary points. On the other hand, an improved compact SSOBC topology and novel PS modulation techniques are proposed. Since the traditional PS modulation is challenging for AC/DC converters to keep a unity power factor (PF), novel PS modulation techniques are presented for the proposed SSOBC. Firstly, a sinusoidal single phase shift (SSPS) modulation introduces a sinusoidal phase shift to maintain a high PF and high efficiency within a wide operating point. However, due to the high current at the zero-crossing point of the grid voltage of the SSPS modulation, the novel adaptive sinusoidal single phase shift (ASSPS) modulation is presented to address this issue, which reduces conduction loss and increases efficiency. Secondly, based on the ASSPS modulation, the adaptive sinusoidal extended phase shift (ASEPS) modulation with minimal peak current optimization is presented to introduce one more degree of freedom to extend the ZVS flexibility, which reduces switching loss. Moreover, the minimal peak current optimization reduces transformer current, further decreasing conduction losses. Therefore, the power loss is minimized. Finally, this thesis presents the general design guideline of a 6 kW Silicon Carbide (SiC)-based bidirectional SSOBC, contributing to the further development of bidirectional SSOBC application. Experimental results verify the operating principle and high PF of the proposed SSPS, ASSPS, and ASEPS modulation. 1 kW experimental testing has validated that the peak efficiency is 95.3% with ASSPS modulation and 95.9% with ASEPS modulation. Compared to the existing pulse width modulation (PWM), the ASSPS modulation increased efficiency by 1.1%, and ASEPS modulation further increased by 1.7%. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

Dans ce travail de thèse, nous proposons d'utiliser la technologie ULB pour établir un nouveau système de communication haut débit Radio Impulsionnelle (IR-ULB), basé sur un nouveau schéma de modulation nommé M-OAM (M-Orthogonal Amplitude Modulation) et les formes d'ondes orthogonales MGF (Modified Gegenbaeur Function). Ce système est dédié aux applications sans fil à courte portée, notamment les communications multimédia et le transport intelligent (ITS). Les modulations M-OAM proposées, sont évaluées sous le canal AWGN et les canaux ULB à trajets multiples à savoir IEEE.802.15.3a et IEEE.802.15.4a. Les résultats de simulation montrent que la performance du système proposé, en terme de taux d'erreur binaire (BER), est du même ordre que celle des modulations ULB traditionnelles. En outre, les modulations M-OAM offrent un très haut débit de données avec une faible complexité d'implémentation. En effet, la conception d'un tel système doit certes fournir un très haut débit mais aussi servir un grand nombre d'utilisateurs simultanément avec une bonne qualité de service. Dans cette optique, une nouvelle technique d'accès multiple DS-MGF-OAM est proposée. Ce système multi-utilisateur fait usage de la technique DS-ULB et l'orthogonalité des impulsions MGF pour permettre une communication efficace avec un nombre maximal d'utilisateurs. Néanmoins, l'effet de trajets multiples réduit la qualité de la transmission. Ainsi, la contribution de deux architectures de réception dans l'amélioration des performances est étudiée, à savoir le récepteur RAKE et l'égaliseur MMSE (Minimum Mean Square Error). Cette étude montre que le système de communication M-OAM offre de bonnes performances en terme de qualité de services (QoS). Après l'étape de simulation, les résultats expérimentaux des systèmes proposés dans les environnements réelles sont analysés et discutés. Dans la dernière partie de ce document, nous avons réalisé un prototype de traitement en temps réel sur une plateforme FPGA, offrant des temps de calcul à 3GHz grâce à des algorithmes parallélisables sur des architectures re-configurables. / In this thesis, we propose to use the UWB technology to establish a new communications system Impulse Radio (IR-UWB), based on a new modulation scheme called M-OAM (Orthogonal M-Amplitude Modulation) and orthogonal waveforms MGF (Modified Gegenbauer Function). This system is dedicated to the short-range wireless applications, especially multimedia communications and intelligent transportation (ITS). The proposed modulations M-OAM, are evaluated under the AWGN channel and UWB multipath channel namely IEEE.802.15.3a and IEEE.802.15.4a. Simulation results show that the performance of the proposed system in terms of bit error rate (BER) is the same as that of traditional UWB modulations. In addition, M-OAM modulations offer the highest data rate with low complexity of implementation. Indeed, the design of a such system should certainly provide a very high speed but also serve a large number of concurrent users with good quality of service. In this context, a new multiple access technique DS-MGF-OAM is proposed. This multi-user system makes use of the DS-UWB technology and orthogonal pulses MGF to enable effective communication with a maximum number of users. However, the multi-path effect reduces the quality of the transmission. Thus, the contribution of two receiver architectures in performance improvement is studied, namely the RAKE receiver and MMSE (Minimum Mean Square Error) equalizer. This study shows that the M-OAM communication system offers good performance in terms of quality of service (QoS). Following the simulation step, the experimental results of the proposed systems in real environments are analyzed and discussed. In the last part of this document, we performed a real-time protoptype on an FPGA platform, offering calculation time of 3GHz through parallelizable algorithms on reconfigurable architectures.

In the Thesis, two important theoretical problems arising in the theory of one-dimensional defocusing nonlinear Schrödinger (NLS) flows are investigated analytically and numerically: (i) the resonant generation of dispersive shock waves (DSWs) in one-dimensional NLS flow past a broad repulsive penetrable barrier; and (ii) the interaction of counter-propagating DSW and a simple rarefaction wave (RW), which is referred to as the DSW refraction problem. The first problem is motivated by the recent experimental observations of dark soliton radiation in a cigar-shaped BEC by sweeping through it a localised repulsive potential; the second problem represents a dispersive-hydrodynamic counterpart of the classical gas-dynamics problem of the shock wave refraction on a RW, and, apart from its theoretical significance could also find applications in superfluid dynamics. Both problems also naturally arise in nonlinear optics, where the NLS equation is a standard mathematical model and the `superfluid dynamics of light' can be used for an all-optical modelling of BEC flows. The main results of the Thesis are as follows: (i) In the problem of the transcritical flow of a BEC through a wide repulsive penetrable barrier an asymptotic analytical description of the arising wave pattern is developed using the combination of the localised ``hydraulic'' solution of the 1D Gross-Pitaevskii (GP) equation with repulsion (the defocusing NLS equation with an added external potential) and the appropriate exact solutions of the Whitham-NLS modulation equations describing the resolution of the upstream and downstream discontinuities through DSWs. We show that the downstream DSW effectively represents the train of dark solitons, which can be associated with the excitations observed experimentally by Engels and Atherton (2008). (ii) The refraction of a DSW due to its head-on collision with the centred RW is considered in the frameworks of two one-dimensional defocusing NLS models: the standard cubic NLS equation and the NLS equation with saturable nonlinearity, the latter being a standard model for the light propagation through photorefractive optical crystals. For the cubic nonlinearity case we present a full asymptotic description of the DSW refraction by constructing appropriate exact solutions of the Whitham modulation equations in Riemann invariants. For the NLS equation with saturable nonlinearity, whose modulation system does not possess Riemann invariants, we take advantage of the recently developed method for the DSW description in non-integrable dispersive systems to obtain key parameters of the DSW refraction. In both problems, we undertake a detailed analysis of the flow structure for different parametric regimes and calculate physical quantities characterising the output flows in terms of relevant input parameters. Our modulation theory analytical results are supported by direct numerical simulations of the corresponding full dispersive initial value problems (IVP).

Les canaux vocodés sont les canaux de communications dédiés à la voix et dans lesquels le signal traverse divers équipements destinés au transport de la voix tels que des codeurs de parole, des détecteurs d’activité vocale (VAD), des systèmes de transmission discontinue (DTX). Il peut s’agir de systèmes de communications téléphoniques filaires ou mobiles (réseaux cellulaires 2G/3G, satellites INMARSAT…) ou de voix sur IP. Les codeurs de parole dans les normes récentes pour les réseaux de téléphonie mobiles ou de voix sur IP font appel à des algorithmes de compression dérivés de la technique CELP (Code Excited Linear Prediction) qui permettent d’atteindre des débits de l’ordre de la dizaine de Kb/s bien inférieurs aux codeurs des réseaux téléphoniques filaires (typiquement 64 ou 32 Kb/s). Ces codeurs tirent leur efficacité de l’utilisation de caractéristiques spécifiques aux signaux de parole et à l’audition humaine. Aussi les signaux autres que la parole sont-ils généralement fortement distordus par ces codeurs. La transmission de données sur les canaux vocodés peut être intéressante pour des raisons liées à la grande disponibilité des canaux dédiés à la voix et pour des raisons de discrétion de la communication (sécurité). Mais le signal modulé transmis sur ces canaux vocodés est soumis aux dégradations causées par les codeurs de parole, ce qui impose des contraintes sur le type de modulation utilisé. Cette thèse a porté sur la conception et l’évaluation de modulations permettant la transmission de données sur les canaux vocodés. Deux approches de modulations ont été proposées pour des applications correspondant à des débits de transmission possibles assez différents. La principale application visée par la thèse concerne la transmission de parole chiffrée, transmission pour laquelle le signal de parole est numérisé, comprimé à bas débit par un codeur de parole puis sécurisé par un algorithme de cryptage. Pour cette application, nous nous sommes focalisés sur les réseaux de communications utilisant des codeurs CELP de débits supérieurs à la dizaine de Kb/s typiquement les canaux de communication mobiles de deuxième ou troisième génération. La première approche de modulation proposée concerne cette application. Elle consiste à utiliser des modulations numériques après optimisation de leurs paramètres de façon à prendre en compte les contraintes imposées par le canal et à permettre des débits et des performances en probabilité d’erreur compatibles avec la transmission de parole chiffrée (typiquement un débit supérieur à 1200 b/s avec un BER de l’ordre de 10-3). Nous avons montré que la modulation QPSK optimisée permet d’atteindre ces performances. Un système de synchronisation est aussi étudié et adapté aux besoins et aux contraintes du canal vocodé. Les performances atteintes par la modulation QPSK avec le système de synchronisation proposé, ainsi que la qualité de la parole sécurisée transmise ont été évalués par simulation et validés expérimentalement sur un canal GSM réel grâce à un banc de test développé dans la thèse.La deuxième approche de modulation a privilégié la robustesse du signal modulé lors de la transmission à travers un codeur de parole quelconque, même un codeur à bas débit tels que les codeurs MELP à 2400 ou 1200 b/s. Dans ce but, nous avons proposé une modulation effectuée par concaténation de segments de parole naturelle associée à une technique de démodulation qui segmente le signal reçu et identifie les segments de parole par programmation dynamique avec taux de reconnaissance élevé. Cette modulation a été évaluée par simulation sur différents codeurs de parole. Elle a aussi été testée sur des canaux GSM réels. Les résultats obtenus montrent une probabilité d’erreur très faible quelque soit le canal vocodé et le débit des codeurs de parole utilisés mais pour des débits possibles relativement faibles. Les applications envisageables sont restreintes à des débits typiquement inférieurs à 200 b/s.Enfin nous nous sommes intéressés aux détecteurs d’activité vocale dont l’effet peut-être très dommageable pour les signaux de données. Nous avons proposé une méthode permettant de contrer les VAD utilisés dans les réseaux GSM. Son principe consiste à rompre la stationnarité du spectre du signal modulé, stationnarité sur laquelle s’appuie le VAD pour décider que le signal n’est pas de la parole / Pas de résumé

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Untersuchung von optischen Absolutfrequenzreferenzen basierend auf rovibronischen Übergängen in molekularen Jod. Dabei werden Methoden der Doppler-freien Sättigungsspektroskopie angewendet, um einzelne Übergänge der Hyperfeinstruktur mit Linienbreiten unterhalb von 1 MHz im B-X System von molekularem Iod bei 532 nm, der zweiten harmonischen des Nd:YAG-Laser, aufzulösen. Elektronische Regelungstechniken ermöglichen eine präzise Stabilisierung der optischen Frequenz auf die Linienmitte der Übergänge mit einer Auflösung von Teilen in 10^5. Mit dem Ziel einer weltraumtauglichen Absolutfrequenzreferenz für zukünftige Weltraummissionen, wurden zwei Spektroskopiemodule konzipiert und in quasi-monolithischen Glaskeramik-Aufbauten, als sogenanntes elegant breadboard model und engineering model, realisiert. Diese Jodfrequenzreferenzen wurden im Detail in Bezug auf ihre Frequenzstabilität und Reproduzierbarkeit untersucht und Letzteres wurde für die angestrebte Weltraumqualifizierung ersten Umwelttests, sowohl vibrations- als auch thermischen Belastungstests, unterzogen. Für die Untersuchung der Frequenzstabilität dieser Jodreferenzen wurde ein auf einen optischen Resonator hoher Güte stabilisiertes Lasersystem für direkte Frequenzvergleiche bei 1064 nm realisiert. Die Analyse der Frequenzstabilität der Jod Referenzen zeigt eine Frequenzstabilität von 6x10^−15 bei 1 s, und weniger als 2x10^−15 bei 100 s Integrationszeit, was der bis heute besten veröffentlichten Frequenzstabilität entspricht die mit Jod Referenzen erreicht wurde. Mit der erreichten Frequenzstabilität ermöglichen diese Absolutfrequenzreferenzen präzise Lasersysteme für zukünftige Weltraummissionen wie z.B. zur Detektion von Gravitationswellen, zur Vermessung des Gravitationsfelds der Erde oder für Präzisionstest fundamentaler Theorien der Physik. / This thesis deals with the development and investigation of optical absolute frequency references based on rovibronic transitions in molecular iodine. Doppler-free saturation spectroscopy methods are employed to resolve individual transitions of the hyperfine structure with linewidths below 1 MHz in the B-X system of molecular iodine at 532 nm with the second harmonic of Nd:YAG lasers. Electronic feedback control systems are employed for laser frequency stabilization to the line center of the optical transitions with a line splitting of 10^5. With the goal of a space qualified optical absolute frequency reference for future laser-interferometric space missions, two spectroscopy setups were designed and realized in quasi-monolithic, glass-ceramic setups as so called elegant bread board model and engineering model. These iodine references were characterized in detail with respect to their frequency stability and reproducibility and the engineering model was subject to environmental tests, including vibrations and thermal cycling to verify its applicability in future space missions. For the investigation of the frequency instability of these iodine references, a frequency stabilized laser system was realized based on a temperature controlled high Finesse ULE cavity for direct frequency comparisons at 1064 nm. Analysis of the frequency stability of the iodine references revealed exceptionally low fractional frequency instability of 6x10^−15 at 1 s, averaging down to less than 2×10^−15 at 100 s integration time, constituting the best reported stability achieved with iodine references to date. With the demonstrated performance, these absolute frequency references enable precision laser systems required for future space missions that are dedicated to, e.g., the detection of gravitational waves, mapping of the Earth’s gravitational field or precision test of fundamental physics.

La géométrie de l'information est la théorie mathématique qui applique les méthodes de la géométrie différentielle dans le domaine des statistiques et de la théorie de l'information. C'est une technique très prometteuse pour l'analyse et l'illustration des algorithmes itératifs utilisés en communications numériques. Cette thèse porte sur l'application de cette technique ainsi que d'autre technique d'optimisation bien connue, l'algorithme itératif du point proximal, sur les algorithmes itératifs en général. Nous avons ainsi trouvé des interprétations géométriques (basée sur la géométrie de l'information) et proximales (basée sur l'algorithme du point proximal) intéressantes dans le cas d'un algorithme itératif de calcul de la capacité des canaux discrets sans mémoire, l'algorithme de Blahut-Arimoto. L'idée étant d'étendre cette application sur une classe d'algorithmes itératifs plus complexes. Nous avons ainsi choisi d'analyser l'algorithme de décodage itératif des modulations codées à bits entrelacés afin de trouver quelques interprétations et essayer de proposer des liens existant avec le critère optimal de maximum de vraisemblance et d'autres algorithmes bien connus dans le but d'apporter certaines améliorations par rapport au cas classique de cet algorithme, en particulier l'étude de la convergence.

Le milieu sous-marin est doublement dispersif, en temps et en fréquence. L'utilisation récente de signaux de communication multi-porteuses offre une solution pour lutter contre la sélectivité fréquentielle. Mais ce type de signaux reste très sensible à la dispersivité fréquentielle. Cette thèse se concentre sur le problème de la dispersivité fréquentielle qu'est l'effet Doppler. Des méthodes d'estimation du paramètre Doppler sont développées pour des signaux multi-porteuses DMT. Est également abordé le problème de la compensation Doppler dans les cas mono et multitrajets. Une méthode générale et une méthode spéci que au signaux multiporteuses sont présentées et testées sur simulation. Cette thèse se distingue par son modèle du canal sous-marin qui considère un paramètre Doppler différent sur chaque trajet. Ceci résulte de la géométrie du problème et des vitesses émetteur/récepteur considérées. Nous présentons nalement des méthodes pour séparer les différents trajets arrivant sur une antenne a n de pouvoir considérer un paramètre Doppler unique sur chacun.

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