Ingeniero Civil Eléctrico / Los constantes y cada vez más acelerados avances tecnológicos, han generado que los sistemas de comunicación se optimicen considerablemente con el transcurso de los años. Dentro de los cambios más importantes que se han visto en el último tiempo, destaca la disminución del uso de los clásicos sistemas de telecomunicaciones basados en portadoras únicas, dándose paso a sistemas más complejos en donde la información se transmite utilizando múltiples portadoras. Dentro de este último grupo de técnicas, uno de los que más sobresale es orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), el cual ha sido y es, ampliamente utilizado en múltiples aplicaciones o estándares de comunicación. El uso extensivo de OFDM se debe a varias ventajas que esta técnica posee, tales como: alcanzar altas tasas de transmisión de datos, generar señales robustas ante canales inalámbricos, tener una alta eficiencia espectral, entre otros. Pero, aun cuando éstos exhiben múltiples ventajas, también presentan ciertos inconvenientes que deben ser tratados como lo son: los altos niveles de peak-to-average power ratio (PAPR) que caracterizan a las señales OFDM y la sensibilidad a errores originados por la desincronización entre el transmisor y receptor. Esto último, facilita la generación de interferencia entre portadoras (inter-carrier interference, ICI) y, por ende, un aumento en la probabilidad de error. En este trabajo se examina el funcionamiento de los sistemas basados en OFDM, partiendo desde la generación de la señal, hasta su comportamiento espectral. Pero por otro lado, también se analiza como la implementación de pulsos que cumplen con el primer criterio de Nyquist (Nyquist-I), favorece al rendimiento de esta clase de sistemas. El uso de pulsos Nyquist-I para combatir los inconvenientes típicos mostrados por los sistemas basados en OFDM ha sido propuesto por múltiples investigadores. En este trabajo se estudia en detalle una nueva familia de pulsos Nyquist-I llamada improved parametric linear combination pulses (IPLCP), la cual se propone para combatir un completo listado de aspectos perjudiciales mostrados por sistemas OFDM reales, a diferencia de otros pulsos que solamente buscan solucionar uno de ellos. Para analizar el rendimiento de la nueva familia de pulsos, se le compara con otras ya conocidas en términos del ICI, la razón señal a interferencia (signal-to-interference ratio, SIR), el PAPR y la tasa de probabilidad de error de bit (bit error rate, BER). Finalmente, el análisis demuestra que la nueva familia es la que mejor se desempeña en promedio en términos de los parámetros de estudio recién mencionados, dejando en claro que la implementación del IPLCP favorece al rendimiento de los sistemas de comunicación basados en la tecnología OFDM.

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Small-signal stability is of great concern for distributed power systems with a large number of regulated power converters. These converters are constant-power loads (CPLs) exhibit a negative incremental input resistance within the output voltage regulation bandwidth. In the case of dc systems, design requirements for impedances that guarantee stability have been previously developed and are used in the design and specification of these systems. In terms of three-phase ac systems, a mathematical framework based on the generalized Nyquist stability criterion (GNC), reference frame theory, and multivariable control is set forth for stability assessment. However, this approach relies on the actual measurement of these impedances, which up to now has severely hindered its applicability. Addressing this shortcoming, this research investigates the small-signal stability of three-phase ac systems using measured d-q frame impedances. Prior to this research, negative incremental resistance is only found in CPLs as a results of output voltage regulation. In this research, negative incremental resistance is discovered in grid-tied inverters as a consequence of grid synchronization and current injection, where the bandwidth of the phase-locked loop determines the frequency range of the negative incremental resistance behavior, and the power rating of inverter determines the magnitude of the resistance. Prior to this research, grid synchronization stability issue and sub-synchronous oscillations between grid-tied inverter and its nearby rectifier under weak grid condition are reported and analyzed using characteristic equation of the system. This research proposes a more design oriented analysis approach based on the negative incremental resistance concept of grid-tied inverters. Grid synchronization stability issues are well explained under the framework of GNC. Although stability and its margin of ac system can be addressed using source and load impedances in d-q frame, method to specify the shape of load impedances to assure system stability is not reported. This research finds out that under unity power factor condition, three-phase ac system is decoupled. It can be simplified to two dc systems. Load impedances can be then specified to guarantee system stability and less conservative design. / Ph. D.

Grâce à son accessibilité, sa polyvalence et sa sécurité, l'échocardiographie est devenue la technique d'imagerie la plus utilisée pour évaluer la fonction cardiaque. Au vu du succès de l'échographie ultrarapide par ondes planes des techniques similaires pour augmenter la résolution temporelle en échocardiographie ont été mise en oeuvre. L’augmentation de la résolution temporelle de l’échographie cardiaque au-delà des valeurs actuellement atteignables (~ 60 à 80 images par secondes), pourrait être utilisé pour améliorer d’autres caractéristiques de l'échocardiographie, comme par exemple élargir la plage de vitesses détectables en imagerie Doppler couleur limitées par la valeur de Nyquist. Nous avons étudié l'échocardiographie ultrarapide en utilisant des fronts d’ondes ultrasonores divergentes. La résolution temporelle atteinte par la méthode d'ondes divergentes a permis d’améliorer les capacités des modes d’échocardiographie en mode B et en Doppler couleur. La résolution temporelle de la méthode mode B a été augmentée jusqu'à 633 images par secondes, tout en gardant une qualité d'image comparable à celle de la méthode d’échocardiographie conventionnelle. La vitesse de Nyquist de la méthode Doppler couleur a été multipliée jusqu'à 6 fois au delà de la limite conventionnelle en utilisant une technique inspirée de l’imagerie radar; l’implémentation de cette méthode n’aurait pas été possible sans l’utilisation de fronts d’ondes divergentes. Les performances avantageuses de la méthode d'échocardiographie ultrarapide sont supportées par plusieurs résultats in vitro et in vivo inclus dans ce manuscrit. / Because of its low cost, versatility and safety, echocardiography has become the most common imaging technique to assess the cardiac function. The recent success of ultrafast ultrasound plane wave imaging has prompted the implementation of similar approaches to enhance the echocardiography temporal resolution. The ability to enhance the echocardiography frame rate beyond conventional values (~60 to 80 fps) would positively impact other echocardiography features, e.g. broaden the color Doppler unambiguous velocity range. We investigated the ultrafast echocardiography imaging approach using ultrasound diverging waves. The high frame rate offered by the diverging wave method was used to enhance the capabilities of both B-mode and color Doppler echocardiography. The B-mode temporal resolution was increased to 633 fps whilst the image quality was kept almost unchanged with reference to the conventional echocardiography technique. The color Doppler Nyquist velocity range was extended to up to 6 times the conventional limit using a weather radar imaging approach; such an approach could not have been implemented without using the ultrafast diverging wave imaging technique. The advantageous performance of the ultrafast diverging wave echocardiography approach is supported by multiple in vitro and in vivo results included in this manuscript.

La thèse est principalement centrée sur l'étude de la résolution verticale des diagraphies. On outre, l'arithmétique floue est appliquée aux modèles expérimentaux pétrophysiques en vue de transmettre l'incertitude des données d'entrée aux données de sortie, ici la saturation irréductible en eau et la perméabilité. Les diagraphies sont des signaux digitaux dont les données sont des mesures volumétriques. Le mécanisme d'enregistrement de ces données est modélisé par des fonctions d'appartenance floues. On a montré que la Résolution Verticale de la Fonction d'Appartenance (VRmf) est supérieur d'espacement. Dans l'étape suivante, la fréquence de Nyquist est revue en fonction du mécanisme volumétrique de diagraphie ; de ce fait, la fréquence volumétrique de Nyquist est proposée afin d'analyser la précision des diagraphies. Basé sur le modèle de résolution verticale développée, un simulateur géométrique est conçu pour générer les registres synthétiques d'une seule couche mince. Le simulateur nous permet d'analyser la sensibilité des diagraphies en présence d'une couche mince. Les relations de régression entre les registres idéaux (données d'entrée de ce simulateur) et les registres synthétiques (données de sortie de ce simulateur) sont utilisées comme relations de déconvolution en vue d'enlever l'effet des épaules de couche d'une couche mince sur les diagraphies GR, RHOB et NPHI. Les relations de déconvolution ont bien été appliquées aux diagraphies pour caractériser les couches minces. Par exemple, pour caractériser une couche mince poreuse, on a eu recours aux données de carottage qui étaient disponibles pour la vérification : NPHI mesuré (3.8%) a été remplacé (corrigé) par 11.7%. NPHI corrigé semble être plus précis que NPHI mesuré, car la diagraphie a une valeur plus grande que la porosité de carottage (8.4%). Il convient de rappeler que la porosité totale (NPHI) ne doit pas être inférieure à la porosité effective (carottage). En plus, l'épaisseur de la couche mince a été estimée à 13±7.5 cm, compatible avec l'épaisseur de la couche mince dans la boite de carottage (<25 cm). Normalement, l'épaisseur in situ est inférieure à l'épaisseur de la boite de carottage, parce que les carottes obtenues ne sont plus soumises à la pression lithostatique, et s'érodent à la surface du sol. La DST est appliquée aux diagraphies, et l'intervalle d'incertitude de DST est construit. Tandis que la VRmf des diagraphies GR, RHOB, NPHI et DT est ~60 cm, la VRmf de l'intervalle d'incertitude est ~15 cm. Or, on a perdu l'incertitude de la valeur de diagraphie, alors que la VRmf est devenue plus précise. Les diagraphies ont été ensuite corrigées entre l'intervalle d'incertitude de DST avec quatre simulateurs. Les hautes fréquences sont amplifiées dans les diagraphies corrigées, et l'effet des épaules de couche est réduit. La méthode proposée est vérifiée dans les cas synthétiques, la boite de carottage et la porosité de carotte. L'analyse de partitionnement est appliquée aux diagraphies NPHI, RHOB et DT en vue de trouver l'intervalle d'incertitude, basé sur les grappes. Puis, le NPHI est calibré par la porosité de carottes dans chaque grappe. Le √MSE de NPHI calibré est plus bas par rapport aux cinq modèles conventionnels d'estimation de la porosité (au minimum 33% d'amélioration du √MSE). Le √MSE de généralisation de la méthode proposée entre les puits voisins est augmenté de 42%. L'intervalle d'incertitude de la porosité est exprimé par les nombres flous. L'arithmétique floue est ensuite appliquée dans le but de calculer les nombres flous de la saturation irréductible en eau et de la perméabilité. Le nombre flou de la saturation irréductible en eau apporte de meilleurs résultats en termes de moindre sous-estimation par rapport à l'estimation nette. Il est constaté que lorsque les intervalles de grappes de porosité ne sont pas compatibles avec la porosité de carotte, les nombres flous de la perméabilité ne sont pas valables. / In the subsurface geology, characterization of geological beds by well-logs is an uncertain task. The thesis mainly concerns studying vertical resolution of well-logs (question 1). In the second stage, fuzzy arithmetic is applied to experimental petrophysical relations to project the uncertainty range of the inputs to the outputs, here irreducible water saturation and permeability (question 2). Regarding the first question, the logging mechanism is modelled by fuzzy membership functions. Vertical resolution of membership function (VRmf) is larger than spacing and sampling rate. Due to volumetric mechanism of logging, volumetric Nyquist frequency is proposed. Developing a geometric simulator for generating synthetic-logs of a single thin-bed enabled us analysing sensitivity of the well-logs to the presence of a thin-bed. Regression-based relations between ideal-logs (simulator inputs) and synthetic-logs (simulator outputs) are used as deconvolution relations for removing shoulder-bed effect of thin-beds from GR, RHOB and NPHI well-logs. NPHI deconvolution relation is applied to a real case where the core porosity of a thin-bed is 8.4%. The NPHI well-log is 3.8%, and the deconvolved NPHI is 11.7%. Since it is not reasonable that the core porosity (effective porosity) be higher than the NPHI (total porosity), the deconvolved NPHI is more accurate than the NPHI well-log. It reveals that the shoulder-bed effect is reduced in this case. The thickness of the same thin-bed was also estimated to be 13±7.5 cm, which is compatible with the thickness of the thin-bed in the core box (<25 cm). Usually, in situ thickness is less than the thickness of the core boxes, since at the earth surface, there is no overburden pressure, also the cores are weathered. Dempster-Shafer Theory (DST) was used to create well-log uncertainty range. While the VRmf of the well-logs is more than 60 cm, the VRmf of the belief and plausibility functions (boundaries of the uncertainty range) would be about 15 cm. So, the VRmf is improved, while the certainty of the well-log value is lost. In comparison with geometric method, DST-based algorithm resulted in a smaller uncertainty range of GR, RHOB and NPHI logs by 100%, 71% and 66%, respectively. In the next step, cluster analysis is applied to NPHI, RHOB and DT for the purpose of providing cluster-based uncertainty range. Then, NPHI is calibrated by core porosity value in each cluster, showing low √MSE compared to the five conventional porosity estimation models (at least 33% of improvement in √MSE). Then, fuzzy arithmetic is applied to calculate fuzzy numbers of irreducible water saturation and permeability. Fuzzy number of irreducible water saturation provides better (less overestimation) results than the crisp estimation. It is found that when the cluster interval of porosity is not compatible with the core porosity, the permeability fuzzy numbers are not valid, e.g. in well#4. Finally, in the possibilistic approach (the fuzzy theory), by calibrating α-cut, the right uncertainty interval could be achieved, concerning the scale of the study.

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

The utilization of thermal fluctuations or Johnson/Nyquist noise as a spectroscopic method to determine transport properties in conductors or semiconductors is developed in this paper. The autocorrelation function is obtained from power spectral density measurements thus enabling electronic transport property calculation through the Green-Kubo formalism. This experimental approach is distinct from traditional numerical methods such as molecular dynamics simulations, which have been used to extract the autocorrelation function and directly related physics only. This work reports multi-transport property measurements consisting of the electronic relaxation time, resistivity, mobility, diffusion coefficient, electronic contribution to thermal conductivity and Lorenz number from experimental data. Double validation of the experiment was accomplished through the use of a standard reference material and a standard measurement method, i.e. four-probe collinear resistivity technique. The advantages to this new experimental technique include the elimination of any required thermal or potential gradients, multi-transport property measurements within one experiment, very low error and the ability to apply controlled boundary conditions while gathering data. This research has experimentally assessed the gas pressure and flow effects of helium and argon on 30 nm Au and Cu thin films. The results show a reduction in Au and Cu electronic thermal conductivity and electrical resistivity when subjected to helium and argon pressure and flow. The perturbed electronic transport coefficients, attributed to increased electron scattering at the surface, were so dominant that further data was collected through straight-forward resistance measurements. The resistance data confirmed the thermal noise measurements thus lending considerable evidence to the presence of thin film surface scattering due to elastic and inelastic gas particle scattering effects with the electron ensemble.

The phase and amplitude gradient estimator (PAGE) method has proven successful in improving the accuracy of measured energy quantities over the p-p method, which has traditionally been used, in several applications. One advantage of the PAGE method is the use of phase unwrapping, which allows for increased measurement bandwidth above the spatial Nyquist frequency. However, phase unwrapping works best for broadband sources in free-field environments with high coherence. Narrowband sources often do not have coherent phase information over a sufficient bandwidth for a phase unwrapping algorithm to unwrap properly. In fact, phase unwrapping processing can cause significant error when there is no coherent signal near and above the spatial Nyquist frequency. However, for signals at any frequencies up to the spatial Nyquist frequency, the PAGE method provides correct intensity measurements regardless of the bandwidth of the signal. This is an improved bandwidth over the traditional method. For narrowband sources above the spatial Nyquist frequency, additional information is necessary for the PAGE method to provide accurate acoustic intensity. With sufficient bandwidth and a coherence of at least 0.1 at the spatial Nyquist frequency, a relatively narrowband source above the spatial Nyquist frequency can be unwrapped accurately. One way of using extra information, called the extrapolated PAGE method, uses the phase of a tone below the spatial Nyquist frequency and an assumption of a propagating field, and therefore linear phase, to extrapolate the phase above the spatial Nyquist frequency. Also, within certain angular and amplitude constraints, low-level broadband noise can be added to the field near a source emitting a narrowband signal above the spatial Nyquist frequency. The low-level additive broadband noise can then provide enough phase information for the phase to be correct at the frequencies of the narrowband signal. All of these methods have been shown to work in a free-field environment.

La vélocimétrie Doppler par ultrasons pulsés permet d'obtenir, le profil de vitesses d'un écoulement de fluide. L'estimation de la vitesse est réalisée, pour chaque volume de mesure, à partir du signal Doppler, obtenu à partir du signal rétrodiffusé démodulé et échantillonné, dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse des particules. On démontre, dans le cas d'un transducteur plan et circulaire, pour un écoulement homogène et uniforme dans le volume de mesure, que la densité spectrale de puissance (DSP) de ce signal peut être modélisée par une gaussienne. Un algorithme de suppression du bruit blanc, basée sur l'identification paramétrique de la DSP est proposée et validée. Elle consiste à identifier, en temps réel, les différentes composantes de la DSP du signal Doppler en utilisant la méthode de Levenberg-Marquardt avec un modèle général gaussien. Le bruit blanc identifié est soustrait à la densité afin de permettre un calcul de moment non-biaisé par celui-ci.<br /><br />Le signal Doppler étant échantillonné par nature, il est soumis au théorème de Shannon qui impose une vitesse maximale mesurable nommée vitesse de Nyquist. Celle-ci est directement proportionnelle à la fréquence de répétition des trains d'ondes (PRF pour Pulse Repetition Frequency). La profondeur d'exploration est également liée au PRF. Ceci impose la principale limite de cette méthode, à savoir la relation inverse liant la profondeur d'exploration et la vitesse maximale mesurable. Une méthode permettant des mesures de vitesses au-delà de la limite de Nyquist est proposée. Elle se base sur l'utilisation de plusieurs fréquences de répétition des trains d'ondes. Le repliement différent pour chaque PRF permet l'apport d'information nécessaire à la résolution de l'ambiguïté sur les vitesses. Un algorithme original de reconstruction spectrale est proposé. Il permet de recombiner les DSP repliés obtenus pour chaque PRF afin de reproduire la DSP du signal Doppler.