[pt] Códigos de permutação são uma interessante ferramenta matemática que pode ser empregada para construir tanto esquemas de compressão com perdas quanto esquemas de modulação em um sistema de transmissão digital. Códigos de permutação vetorial, uma extensão mais poderosa dos códigos de permutação escalar, foram recentemente introduzidos no contexto de compressão de fontes. Este trabalho apresenta novas contribuições a essa teoria e introduz os códigos de permutação vetorial no contexto de modulação. Para compressão de fontes, é demonstrado matematicamente que os códigos de permutação vetorial (VPC) têm desempenho assintótico idêntico ao do quantizador vetorial com restrição de entropia (ECVQ). Baseado neste desenvolvimento, é proposto um método eficiente para o projeto de VPC s. O bom desempenho dos códigos projetados com esse método é verificado através de resultados experimentais para as fontes uniforme e gaussiana: são exibidos VPC s cujo desempenho é semelhante ao do ECVQ e superior ao de sua versão escalar. Para o propósito de transmissão digital, é verificado que também a modulação baseada em códigos de permutação vetorial (VPM) possui desempenho superior ao de sua versão escalar. São desenvolvidas as expressões para o projeto ótimo de VPM, e um método é apresentado para detecção ótima de VPM em canais AWGN e com desvanecimento. / [en] Permutation codes are an interesting mathematical tool which can be used to devise both lossy compression schemes and modulation schemes for digital transmission systems. Vector permutation codes, a more powerful extension of scalar permutation codes, were recently introduced for the purpose of source compression. This work presents new contributions to this theory and also introduces vector permutation codes for the purpose of modulation. For source compression, it is proved that vector permutation codes (VPC) have an asymptotical performance equal to that of an entropy-constrained vector quantizer (ECVQ). Based on this development, an efficient method is proposed for VPC design. Experimental results for Gaussian and uniform sources show that the codes designed by this method have indeed a good performance: VPC s are exhibited whose performances are similar to that of ECVQ and superior to those of their scalar counterparts. In the context of digital transmission, it is verified that also vector permutation modulation (VPM) is superior in performance to scalar permutation modulation. Expressions are developed for the optimal design of VPM, and a method is presented for maximum-likelihood detection of VPM in AWGN and fading channels.

[pt] crescimento dos sistemas de comunicações móveis celulares e dos sistemas de rádio difusão de sinais de áudio e vídeo tem despertado grande interesse na pesquisa de novos métodos para a transmissão de sinais nestas redes. A necessidade de se transmitir dados em altas taxas, com significante eficiência no uso da largura de faixa de freqüências disponível, e por meio de um canal de propagação ruidoso e variante no tempo, constitui o principal problema para o desenvolvimento de novas técnicas de trasmissão de sinais. Dentro deste contexto, esta dissertação trata do uso dos conceitos de transmissão digital e filtragem adaptativa para a demodulação de sinais OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). A equalização de sinais antes e após o estágio de DFT (Discrete Fourier Transform) no receptor e as técnicas de estimação de canal são o objeto principal de estudo deste trabalho. Os resultados dos experimentos são analisados em termos da taxa de erro de bit média obtida e da convergência dos algoritmos empregados nas etapas de equalização e estimação de canal no receptor. / [en] The growth of cellular mobile communication systems and audio and video broadcasting systems has stimulated great interest in the research of new methods for the signal transmission in these networks. The high rate data transmission, with significant efficiency in the use of the available bandwidth, in a noisy and time variant channel, constitutes the main problem for the development of new techniques for signal transmission. In this context, this dissertation deals with the use of the concepts of digital transmission and adaptive filtering for the demodulation of OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) signals. The equalization pre and post DFT (Discrete Fourier Transform) in the receiver and the channel estimation techniques are the main object of study in this work. The results of the experiments are analyzed in terms of the mean bit error rate achieved and the convergence for the algorithms used in the stages of equalization and channel estimation in the receiver.

[pt] Este trabalho de dissertação de mestrado apresenta os resultados obtidos com a conjunção de duas técnicas propostas para utilização em modernos sistemas de comunicações: a Modulação Espacial (Spatial Modulation - SM) e a detecção desacoplada de sinais. Na primeira parte são abordados os fundamentos teóricos da detecção de sinais com modulação espacial, uma comparação entre os sistemas MIMO (Multiple Input Multiple Output) tradicionais e os sistemas SM-MIMO, uma revisão bibliográfica sobre trabalhos previamente feitos no tema e os diferentes tipos de detectores que podem ser empregados em sistemas com modulação espacial. A seguir são abordadas diferentes técnicas para desacoplamento de sinais, as quais permitem a separação na estação radio-base dos sinais oriundos de diferentes tipos de usuários, visando simplificar e adequar o procedimento de detecção às necessidades do usuário da rede. Finalmente uma análise de desempenho, em termos da taxa de erro de bit, e complexidade computacional, em termos do número médio de flops requerido por vetor de símbolos detectado, é realizada para as diferentes associações de técnicas de desacoplamento e detectores SM enfocados neste trabalho. / [en] This work dissertation presents the results obtained from the conjunction of two proposal techniques for the use in modern systems of communications: the Spatial Modulation and the Decoupling Signal Detection. In the first part are discussed the theorical bases of the signal detection with Spatial Modulation, a comparison between the traditional MIMO systems and the SM-MIMO systems, a bibliographical review about previousworks in the topic and the different kinds of detectors that can be used in systems with Spatial Modulation. Then the different techniques of signal decoupling are discussed, which allow the separation in the radio base station of the signals coming from the different classes of users, to simplify and adapt the process of detection and the requirements of the user in the network. Finally a performance analysis in terms of the bit error rate and computational complexity in terms of average number of flops required fot the vector of symbols detected, is done for the studied detectors in the dissertation, using the same different techniques of decoupling studied in this work.

[pt] Esta tese pode ser segmentada em duas partes distintas, porém complementares. A primeira parte trata do problema que tange ao desenvolvimento da maioria dos sistemas de marcação d água digital: a necessidade de primeiramente selecionar a técnica de modulação não codificada que fará parte de uma arquitetura codificada. Assim, para proceder adequada seleção, os limitantes de desempenho das técnicas não codificadas são ferramentas importantes para otimização de sistemas codificados, objetivando operação próximo à capacidade. Esta parte da tese introduz um novo limitante inferior para técnicas binárias de marcação d água digital, fundamentado em uma simples equivalência com um sistema de comunicação binário. A segunda parte desta tese introduz uma nova metodologia para o projeto e análise de sistemas de marcação d água digital que, sob o ponto de vista da teoria da informação, incorpora a fragilidade e a robustez. A metodologia proposta é desenvolvida com foco no comportamento da curva de desempenho em sistemas codificados, e considera não somente o ganho de codificação, mas também a robustez e a fragilidade do sistema. Este novo conceito introduz a necessidade de revisitar o projeto de sistemas codificados de marcação digital para incorporar também os requisitos de robustez e/ou de fragilidade. Neste contexto, o código turbo atende de imediato aos requisitos para implementação de um sistema de marcação d água digital robusto, e um sistema frágil pode também ser implementado através da introdução de um esquema de polarização. Este novo esquema de polarização, com o emprego da codificação turbo, também permite a implementação de técnicas semi-frágeis e híbridas, alcançando a robustez e a fragilidade do sistema com apenas uma marcação d água. Resultados de simulação experimental apóiam a metodologia proposta, e possibilita o aprofundamento da discussão do proposto esquema de polarização em sistemas de marcação d água digital. / [en] This thesis can be segmented in two distinct but complementary parts. The first part addresses the problem pertinent to coded digital watermarking systems development require namely the selection of a (uncoded) modulation technique to be part of a coded architecture. Therefore, performance bounds for uncoded techniques are an important tool for coded system optimization, aiming at operation close to capacity. This part introduces a new performance lower bound for uncoded binary watermarking modulation techniques, based on a simple equivalence with a binary communication system, considering an additive gaussian attack model. New M-ary unidimensional and multidimensional Spread Spectrum based modulation techniques are introduced, including their improved versions. The performances of the proposed techniques are determined, and the performance lower bounds for the corresponding techniques classes are determined as well. The second part of this thesis, introduces a new methodology for the design and analysis of digital watermarking systems which, from an information theoretic point of view, incorporates robustness and fragility. The proposed methodology is developed by focusing on the probability of error versus watermark-to-noise ratio curve, describing the technique performance, and a scenario for coded techniques which takes into account not only the coding gain, but also the robustness or fragility of the system. This new concept requires that coded digital watermarking systems design be revisited to also include the robustness and fragility requirements. Turbo codes, which appropriately meet these requirements, can be used straightforwardly to construct robust watermarking systems. Fragile systems can also be constructed by introducing the idea of polarization scheme. This new idea has allowed the implementation of hybrid techniques achieving fragility and robustness with a single watermark embedding. Simulation results supports the introduced methodology and allowed us to enhance the discussion on the polarization scheme.

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

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

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

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

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

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