[pt] Este trabalho apresenta a geração de pulsos de microondas linearmente e não-linearmente modulados em frequência (LFM e NLFM) através da técnica fotônica de auto-heterodinagem. Ao utilizar eletrônica de baixa frequência para modular um diodo laser de feedback distribuído, a variação da portadora óptica no tempo (chirp) é observada, o que é causado predominantemente por efeito térmico. Este efeito, combinado com batimento auto-heteródino, foi capaz de produzir pulsos LFM com alto produto largura de banda-tempo (TBWP). Uma outra abordagem é necessária para geração de pulsos NLFM. Primeiro, é introduzida a técnica Espectroscopia Óptica Resolvida no Tempo para caracterização do chirp de um diodo laser. Em seguida, um estímulo de corrente em formato de função degrau é aplicado ao diodo laser para aquisição da função de transferência de seu chirp, H(s). Com a posse de H(s), uma simulação numérica foi usada para descobrir o estímulo necessário de corrente i(t) para obtenção de pulsos de microondas NLFM através da técnica de auto-heterodinagem. Os resultados experimentais coincidem com a simulação. / [en] This work reports the photonic generation of both linear and non-linear frequency modulation (LFM and NLFM) microwave pulses through a self-heterodyne scheme. By using low-frequency electronics to drive a distributed feedback laser diode, optical chirping is generated predominantly by thermal effect. Combining laser chirping and self-heterodyning, LFM pulses with high time-bandwidth product (TBWP) were achieved. A different approach is required for generation of NLFM microwave pulses. First, for characterization of the laser diode chirp, it is introduced a technique named Time- Resolved Optical Spectroscopy. Then, by using a step-shaped current stimulus, the laser chirp transfer function H(s) was obtained. With knowledge on H(s), a numerical simulation produced the suitable current stimulus i(t) needed to generate NLFM microwave pulses through self-heterodyning. Experimental results agreed with the numerical simulations.

[pt] Processamento em arranjos de sensores é uma área com vasta aplicação, tanto civil quanto militar, por exemplo em sonar, radar, sismologia e comunicações sem fio. Por meio de processamento espacial e espácio-temporal é possível melhorar suas funcionalidades e explorar novas possibilidades. Esta área vem atraindo cada vez mais a atenção e os esfor¸cos da comunidade científica, especialmente agora, em que antenas phased-array se estabeleceram como uma tecnologia comercial e madura. Neste contexto, nós tratamos o problema de processamento com posto reduzido em processamento espacial (beamforming) e espácio-temporal de sinais radar e a nova área de radares com função dual de radar e comunicações (dualfunction radar-communications, DFRC), que pode ser resumida na incorporação de mensagens de comunicações nas transmissıes radar como uma tarefa secundária. Nesta tese, nós investigamos a aplicação de um novo esquema de reduções de posto baseado em interpolação e decimação em duas áreas distintas: processamento espacial e processamento espácio-temporal de sinais radar. Este algoritmo para redução de posto nunca havia sido testado nestes ambientes antes e apresentou resultados bastante expressivos. Nós também propomos simplificações para reduzir a complexidade computacional do algoritmo em bemforming. Quanto ao tópico de DFRC, nós propomos dois métodos originais para incorporar modulação de amplitude/fase aos lóbulos laterais do diagrama de irradiação do radar de forma robusta. Os métodos propostos são muito mais simples do que o estado-da-arte e apresentam desempenho superior em termos de robustez e aplicabilidade em operações de tempo-real. Nós ainda provemos várias outras análises, comparações e contribuições a esta nova área. / [en] Array processing is an area with many civilian and military applications, e.g. sonar, radar, seismology and wireless communications. By means of space and space-time processing it is possible to enhance their features and explore new possibilities. This area has been attracting increasingly more attention and gathering more efforts of the science community, especially now, that phased array antennas are established as a commercial and mature technology. Within this context, we address the problem of reduced rank processing in space and space-time radar signal processing and the new area of dual-function radar-communications (DFRC), which may be summarized as embedding communication messages into radar emissions as a secondary task for the radar. In this thesis, we investigate the application of a new joint interpolation and decimation rank reducing scheme in two different areas: beamforming and space-time radar processing. This rank reducing algorithm was never tested within these contexts before and shows impressive results. We also propose simplifications for decreasing the computational complexity of the algorithm in beamforming. In the topic of DFRC, we propose two original robust radar-embedded sidelobe phase/amplitude modulation methods which have simple closed form equations. The proposed methods are much simpler than the state of the art and have superior performance in terms of robustness and real-time applicability.

[pt] Com o rápido crescimento da Internet das Coisas (IoT), surgiram novas tecnologias de comunicação sem fio para atender aos requisitos de longo alcance, baixo custo e baixo consumo de energia exigidos pelos aplicativos de IoT. Nesse contexto, surgiram as redes de longa distância de baixa potência (LPWANs), as quais oferecem diferentes soluções que atendem aos requisitos dos aplicativos de IoT mencionados anteriormente. Entre as soluções LPWAN existentes, o LoRaWAN tem-se destacado por receber atenção significativa da indústria e da academia nos últimos anos. Embora o LoRaWAN ofereça uma combinação atraente de transmissões de dados de longo alcance e baixo consumo de energia, ele ainda enfrenta vários desafios em termos de confiabilidade e escalabilidade. No entanto, devido a sua natureza de código aberto e à flexibilidade do esquema de modulação no qual ele se baseia (Long Range (LoRa) permite o ajuste de fatores de espalhamento e a potência de transmissão), o LoRaWAN também oferece importantes possibilidades de melhorias. Esta dissertação aproveita a adequação dos algoritmos de Aprendizagem por Reforço (RL) para resolver tarefas de tomada de decisão e os utiliza para ajustar dinamicamente os parâmetros de transmissão dos dispositivos finais LoRaWAN. O sistema proposto, chamado RL-LoRa, mostra melhorias significativas em termos de confiabilidade e escalabilidade quando comparado ao LoRaWAN. Especificamente, diminui a taxa de erro de pacote (PER) média do LoRaWAN em 15 porcento, o que pode aumentar ainda mais a escalabilidade da rede. / [en] With the massive growth of the Internet of Things (IoT), novel wireless communication technologies have emerged to address the long-range, lowcost, and low-power consumption requirements of the IoT applications. In this context, the Low Power Wide Area Networks (LPWANs) have appeared, offering different solutions that meet the IoT applications requirements mentioned before. Among the existing LPWAN solutions, LoRaWAN has stood out for receiving significant attention from both industry and academia in recent years. Although LoRaWAN offers a compelling combination of long-range and low-power consumption data transmissions, it still faces several challenges in terms of reliability and scalability. However, due to its open-source nature and the flexibility of the modulation scheme it is based on (Long Range (LoRa) modulation allows the adjustment of spreading factors and transmit power), LoRaWAN also offers important possibilities for improvements. This thesis takes advantage of the appropriateness of the Reinforcement Learning (RL) algorithms for solving decision-making tasks, and use them to dynamically adjust the transmission parameters of LoRaWAN end devices. The proposed system, called RL-LoRa, shows significant improvements in terms of reliability and scalability when compared with LoRaWAN. Specifically, it decreases the average Packet Error Ratio (PER) of LoRaWAN by 15 percent, which can further increase the network scalability.

[pt] A necessidade de transmitir energia e dados através de barreiras metálicas tem sido cada vez maior em aplicações industriais, onde não é possível a penetração de cabos elétricos, ou o uso de ondas eletromagnéticas, tais como, por exemplo, em sistemas de sensoriamento de cimentação em poços de petróleo. Ondas acústicas podem ser uma solução para esse problema, porque não são afetadas pelo efeito gaiola de Faraday, além de possuírem baixa atenuação ao atravessarem metais. Diversos esforços foram feitos para realizar a transmissão de dados através de camadas metálicas, com abordagens que variam em composição do canal acústico, taxa de transmissão, transmissão simultânea de dados e energia e complexidade dos circuitos empregados; existe, porém, carência de trabalhos que envolvam camadas metal-fluído-metal. Este trabalho apresenta uma possível solução utilizando ondas acústicas como meio de transportar energia e dados em um canal composto de barreiras com duas camadas metálicas e uma de fluído. Aqui propõe-se uma inovadora técnica de controle automático de ganho e um melhor aproveitamento da largura de banda do canal acústico, que permite maior taxa de transmissão de dados. É ainda proposta uma técnica para controle dinâmico da portadora enviada ao lado passivo do sistema. Inicialmente, foi feita uma análise de um modelo numérico, baseado em trabalhos anteriores, fundamentado na propagação de ondas acústicas e baseado na analogia acustoelétrica. Em seguida, desenvolveu-se um sistema eletrônico para receber / transmitir energia e dados digitais, modulados em frequência, de um lado ao outro do sistema. Por fim, análises experimentais foram feitas utilizando como canal acústico, um conjunto de duas placas planas de aço (de 5 mm) separadas por uma camada de fluído (de 100 mm) e dois transdutores alinhados axialmente, realizando a transferência de energia e dados digitais modulados em frequência. O sistema foi capaz de realizar a transferência de dados a uma taxa de 19200 bps e simultaneamente uma transferência de energia de 66 mW, com essa energia foi possível alimentar o modulo eletrônico e um sensor de pressão e temperatura. Durante os testes foi constatado um aproveitamento de 5,5 por cento da energia aplicada ao canal, e foi possível atingir uma taxa de erro de bit de 5 por cento em um teste com 2 h e 30 min de duração, utilizando o canal acústico com camadas de múltiplos materiais propostos. O sistema de controle de portadora funcionou adequadamente, permitindo uma redução de consumo de até 53 por cento. O controle automático de ganho permitiu uma redução de 50 por cento na taxa de erro de decodificação. Demonstra-se, então, a viabilidade de tais sistemas de controle propostos, os quais podem ser úteis em casos onde existam variações nas características acústicas do canal em questão que, em conjunto com a transferência não intrusiva, pode prover solução para sistemas de sensoriamento. / [en] The need for energy and data transmission through metallic barriers is increasing in industrial applications, where the penetration of electrical waves or the use of electrical waves is not possible. An example of such a scenario is the monitoring of cementing in wellbore applications. Acoustic waves are promising to solve this problem, since they are not affected by the Faraday cage effect, in addition, they present low attenuation when propagating in metals. Several efforts have been made to carry out data transmission through metallic layers, with approaches that vary in composition of the acoustic channel, transmission speed, simultaneous transmission of data and energy and the complexity of the circuits used, but there is a lack of works involving metal-fluid-metal layers. This work presents a possible solution using acoustic waves as a mean of transporting energy and data in a channel composed of barriers with two metallic layers and one fluid layer. Here, it is proposed a novel technique for automatic gain control and better use of the available bandwidth of the acoustic channel, which allows higher data transmission speed. Also, a technique for dynamic control of the carrier sent to the passive side of the system is proposed. Initially, an analysis with a numerical model was made, following previous works, which is based on the propagation of acoustic waves and relying on the acoustoelectric analogy. Then, an electronic system was developed to receive/transmit power and digital data, frequency modulated, from one side of the system to the other. Finally, experimental analyzes were performed using as an acoustic channel, a set of two flat steel plates (5 mm) separated by a fluid layer (100 mm) and a pairs of axially aligned transducers, performing the energy transfer and frequency modulated digital data. The system was able to transfer data at a rate of 19200 bps and simultaneously a transfer of energy of 66 mW, with this energy it was possible to feed the inside block module and a pressure and temperature sensor. During the tests, it was verified that 5.5 per cent of the energy applied to the channel was used, and it a bit error rate down to of 5 per cent was reached in a test with 2 h and 30 min of duration, using the multi-layered acoustic. The automatic carrier control system worked as expected and allowed one to reduce energy consumption in 53 per cent. The automatic gain control allowed one to reduce the error rate in 50 per cent. These control systems prove the feasibility of the proposed system and further show the usefulness of the system in scenarios that are subject to variations in the acoustic characteristics of the channel.

[pt] A comunicação por fibras ópticas utiliza diversos modelos herdados dos sistemas de telecomunicações tradicionais. Recentemente, a necessidade de maior controle sobre o fluxo de dados tem atraído muita atenção para as vantagens da comunicação óptica adaptativa. Num sistema de comunicação adaptativo, o fluxo de dados pode ser alterado em função de variações na qualidade do canal ou simplesmente pela necessidade de racionalizar a utilização dos recursos disponíveis. A interoperação entre redes pressiona pela necessidade de uma rede elástica e a expectativa é que este tipo de rede permita o controle sobre vários níveis da estrutura de comunicação. Nesta tese, a análise deste tema se concentra na camada física da rede óptica, em que a elasticidade pode ser obtida através de diferentes técnicas de modulação e multiplexação. A camada física de uma rede óptica adaptativa deve responder a variações e restrições do meio de transmissão. O consumo de energia, por exemplo, é um requisito cada vez mais presente nos projetos das redes de comunicação e a relevância deste requisito tende a aumentar na medida em que as redes ópticas aumentam sua capilaridade. O principal objetivo desta tese é analisar uma solução de comunicação óptica adaptativa que atenda aos requisitos básicos de uma rede elástica. O sistema de comunicação em análise é baseado em modulações realizadas no espaço de sinais de quatro dimensões, também conhecidas como modulações 4D. A perspectiva adotada privilegia a polarização da portadora óptica. A vantagem em adotar esta perspectiva, reside no fato de que ela permite a construção de modulações multidimensionais utilizando os fibrados de Hopf. Conforme será observado, o uso dos fibrados de Hopf em conjunto com o conceito matemático denominado vértice embutido de politopos, potencializa as soluções de engenharia para o problema da comunicação óptica adaptativa. / [en] Fiber-optic communications use several models inherited from traditional telecommunications systems. Recently, the need to improve the control over the data flow has attracted attention to the advantages of adaptive optical communication. In adaptive systems, the data flow can be altered due to changes in the channel quality or simply to rationalize the use of available resources. Interoperation between networks further presses on the need for an elastic network and the expectation is that this type of network will allow control over various levels of the communication structure. In this thesis, the analysis of this theme focuses on the physical layer of the optical network, where elasticity can be obtained through different modulation and multiplexing techniques. The physical layer of an adaptive optical network must respond to variations and restrictions of the transmission medium. Energy consumption, for example, is a requirement that is increasingly present in communication network projects and the relevance of this requirement tends to increase as optical networks expands in capillarity. The main objective of this thesis is to analyze an adaptive optical communication solution that meets the basic requirements of an elastic network. The communication system under analysis is based on the four-dimensional signal space modulations, also known as 4D modulations. The perspective adopted favors the polarization of the optical carrier. The advantage in adopting this perspective resides in the fact that it allows the construction of multidimensional modulations using Hopf bundles. As will be observed, the use of Hopf bundles in conjunction with the mathematical concept called embedded vertex polytopes, improves the engineering solutions to the problem of adaptive optical communication.

[pt] Neste trabalho é apresentado um estudo sobre a determinação matemática dos valores da dispersão cromática total, do zero de dispersão distribuído e efeitos não lineares em fibras ópticas de dispersão deslocada (DS). Uma metodologia para caracterização das dispersões cromáticas e para os zeros de dispersão local das fibras estudadas é elaborada com a utilização do modelo de fibra degrau equivalente e de aproximações entre as fibras ópticas dos enlaces trabalhados. A relação entre o diâmetro do campo modal e o zero de dispersão cromática distribuído segundo A. Rossaro [6] é discutida e comprovada através da realização de uma série de medidas práticas para a determinação dos efeitos não lineares das fibras de dispersão deslocada dos enlaces da Petrobrás. O objetivo deste trabalho é analisar estes efeitos prejudiciais a transmissão de sinais ópticos de alta velocidade apresentados nos cabos submarinos da Petrobrás entre o Porto de Imbetiba e as plataformas de Pargo I e Pampo I na Bacia de Campos, analisando os resultados obtidos e caracterizando as possibilidades de upgrade destes enlaces. / [en] This work presents a study on the mathematical determination of the total chromatic dispersion, zero dispersion wavelength and nonlinear optical effects in dispersion shifted (DS) fiber optic system. A methodology to determine the chromatic dispersion and zero dispersion wavelength is proposed using the equivalent step index model and the similarity of the total chromatic dispersion measured in fibers of the links under study. The relationship between the mode field diameter and the zero dispersion wavelength according to A. Rossaro [6] is discussed and proven with a series of practical measurements for the determination of the nonlinear effects of the dispersion shifted optical fibers of Petrobras links Imbetiba - Pargo and Imbetiba - Pampo of the Campos Basin. / [es] En este trabajo se presenta un estudio sobre la determinación matemática de los valores de dispersión cromática total, del cero de dispersión distribuido y los efectos no lineales en fibras ópticas de dispersión desplazada (DS). Se elabora una metodología para la caracterización de las dispersiones cromáticas y para los ceros de dispersión local de las fibras estudiadas; utililizando el modelo de fibra escalón equivalente y de aproximaciones entre las fibras ópticas de los enlace. Se discute la relación entre el diámetro del campo modal y el cero de dispersión cromática distribuido según A. Rosaro [6] se comprueba a través de la realización de una serie de medidas prácticas para la determinación de los efectos no lineales de las fibras de dispersión desplazada de los enlaces de la Petrobrás. EL objetivo de este trabajo es analizar los efectos perjudiciales a la transmisión de señales ópticos de alta velocidad que se presentan en los cables submarinos de la Petrobrás entre el Puerto de Imbetiba y las plataformas de Pargo I y Pampo I en la Bacia de Campos, analizando los resultados obtenidos y caracterizando las posibilidades de upgrade de estos enlaces.