Arithmetic bit recycling data compression

La compression des données est la technique informatique qui vise à réduire la taille de l’information pour minimiser l’espace de stockage nécessaire et accélérer la transmission des données dans les réseaux à bande passante limitée. Plusieurs techniques de compression telles que LZ77 et ses variantes souffrent d’un problème que nous appelons la redondance causée par la multiplicité d’encodages. La multiplicité d’encodages (ME) signifie que les données sources peuvent être encodées de différentes manières. Dans son cas le plus simple, ME se produit lorsqu’une technique de compression a la possibilité, au cours du processus d’encodage, de coder un symbole de différentes manières. La technique de compression par recyclage de bits a été introduite par D. Dubé et V. Beaudoin pour minimiser la redondance causée par ME. Des variantes de recyclage de bits ont été appliquées à LZ77 et les résultats expérimentaux obtenus conduisent à une meilleure compression (une réduction d’environ 9% de la taille des fichiers qui ont été compressés par Gzip en exploitant ME). Dubé et Beaudoin ont souligné que leur technique pourrait ne pas minimiser parfaitement la redondance causée par ME, car elle est construite sur la base du codage de Huffman qui n’a pas la capacité de traiter des mots de code (codewords) de longueurs fractionnaires, c’est-à-dire qu’elle permet de générer des mots de code de longueurs intégrales. En outre, le recyclage de bits s’appuie sur le codage de Huffman (HuBR) qui impose des contraintes supplémentaires pour éviter certaines situations qui diminuent sa performance. Contrairement aux codes de Huffman, le codage arithmétique (AC) peut manipuler des mots de code de longueurs fractionnaires. De plus, durant ces dernières décennies, les codes arithmétiques ont attiré plusieurs chercheurs vu qu’ils sont plus puissants et plus souples que les codes de Huffman. Par conséquent, ce travail vise à adapter le recyclage des bits pour les codes arithmétiques afin d’améliorer l’efficacité du codage et sa flexibilité. Nous avons abordé ce problème à travers nos quatre contributions (publiées). Ces contributions sont présentées dans cette thèse et peuvent être résumées comme suit. Premièrement, nous proposons une nouvelle technique utilisée pour adapter le recyclage de bits qui s’appuie sur les codes de Huffman (HuBR) au codage arithmétique. Cette technique est nommée recyclage de bits basé sur les codes arithmétiques (ACBR). Elle décrit le cadriciel et les principes de l’adaptation du HuBR à l’ACBR. Nous présentons aussi l’analyse théorique nécessaire pour estimer la redondance qui peut être réduite à l’aide de HuBR et ACBR pour les applications qui souffrent de ME. Cette analyse démontre que ACBR réalise un recyclage parfait dans tous les cas, tandis que HuBR ne réalise de telles performances que dans des cas très spécifiques. Deuxièmement, le problème de la technique ACBR précitée, c’est qu’elle requiert des calculs à précision arbitraire. Cela nécessite des ressources illimitées (ou infinies). Afin de bénéficier de cette dernière, nous proposons une nouvelle version à précision finie. Ladite technique devienne ainsi efficace et applicable sur les ordinateurs avec les registres classiques de taille fixe et peut être facilement interfacée avec les applications qui souffrent de ME. Troisièmement, nous proposons l’utilisation de HuBR et ACBR comme un moyen pour réduire la redondance afin d’obtenir un code binaire variable à fixe. Nous avons prouvé théoriquement et expérimentalement que les deux techniques permettent d’obtenir une amélioration significative (moins de redondance). À cet égard, ACBR surpasse HuBR et fournit une classe plus étendue des sources binaires qui pouvant bénéficier d’un dictionnaire pluriellement analysable. En outre, nous montrons qu’ACBR est plus souple que HuBR dans la pratique. Quatrièmement, nous utilisons HuBR pour réduire la redondance des codes équilibrés générés par l’algorithme de Knuth. Afin de comparer les performances de HuBR et ACBR, les résultats théoriques correspondants de HuBR et d’ACBR sont présentés. Les résultats montrent que les deux techniques réalisent presque la même réduction de redondance sur les codes équilibrés générés par l’algorithme de Knuth.

Modulateur à réseau de Bragg intégré sur silicium pour les télécommunications dans les centres de données et leurs applications

Récemment, beaucoup d’efforts ont été investis afin de développer des modulateurs sur silicium pour les télécommunications optiques et leurs domaines d’applications. Ces modulateurs sont utiles pour les centres de données à courte portée et à haut débit. Ainsi, ce travail porte sur la caractérisation de deux types de modulateurs à réseau de Bragg intégré sur silicium comportant une jonction PN entrelacée dont le but est de réaliser une modulation de la longueur d’onde de Bragg par le biais de l’application d’un tension de polarisation inverse réalisant une déplétion des porteurs au sein du guide d’onde. Pour le premier modulateur à réseau de Bragg, la période de la jonction PN est différente de celle du réseau de Bragg tandis que le deuxième modulateur à réseau de Bragg a la période de sa jonction PN en accord avec celle du réseau de Bragg. Ces différences apporteront un comportement différent du modulateur impliquant donc une transmission de données de qualité différente et c’est ce que nous cherchons à caractériser. L’avantage de ce modulateur à réseau de Bragg est qu’il est relativement simple à designer et possède un réseau de Bragg uniforme dont on connaît déjà très bien les caractéristiques. La première étape dans la caractérisation de ces modulateurs fut de réaliser des mesures optiques, uniquement, afin de constater la réponse spectrale en réflexion et en transmission. Par la suite, nous sommes passé par l’approche usuelle, c’est à dire en réalisant des mesures DC sur les modulateurs. Ce mémoire montre également les résultats pratiques sur le comportement des électrodes et de la jonction PN. Mais il rend compte également des résultats de la transmission de données de ces modulateurs par l’utilisation d’une modulation OOK et PAM-4 et permet de mettre en évidence les différences en terme d’efficacité de modulation de ces deux modulateurs. Nous discutons alors de la pertinence de ce choix de design par rapport à ce que l’on peut trouver actuellement dans la littérature.

Design and modeling of optical fibers for spatial division multiplexing using the orbital angular momentum of light

Les besoins toujours croissants en terme de transfert de données numériques poussent au développement de nouvelles technologies pour accroître la capacité des réseaux, notamment en ce qui concerne les réseaux de fibre optique. Parmi ces nouvelles technologies, le multiplexage spatial permet de multiplier la capacité des liens optiques actuels. Nous nous intéressons particulièrement à une forme de multiplexage spatial utilisant le moment cinétique orbital de la lumière comme base orthogonale pour séparer un certain nombre de canaux. Nous présentons d’abord les notions d’électromagnétisme et de physique nécessaires à la compréhension des développements ultérieurs. Les équations de Maxwell sont dérivées afin d’expliquer les modes scalaires et vectoriels de la fibre optique. Nous présentons également d’autres propriétés modales, soit la coupure des modes, et les indices de groupe et de dispersion. La notion de moment cinétique orbital est ensuite introduite, avec plus particulièrement ses applications dans le domaine des télécommunications. Dans une seconde partie, nous proposons la carte modale comme un outil pour aider au design des fibres optiques à quelques modes. Nous développons la solution vectorielle des équations de coupure des modes pour les fibres en anneau, puis nous généralisons ces équations pour tous les profils de fibres à trois couches. Enfin, nous donnons quelques exemples d’application de la carte modale. Dans la troisième partie, nous présentons des designs de fibres pour la transmission des modes avec un moment cinétique orbital. Les outils développés dans la seconde partie sont utilisés pour effectuer ces designs. Un premier design de fibre, caractérisé par un centre creux, est étudié et démontré. Puis un second design, une famille de fibres avec un profil en anneau, est étudié. Des mesures d’indice effectif et d’indice de groupe sont effectuées sur ces fibres. Les outils et les fibres développés auront permis une meilleure compréhension de la transmission dans la fibre optique des modes ayant un moment cinétique orbital. Nous espérons que ces avancements aideront à développer prochainement des systèmes de communications performants utilisant le multiplexage spatial.

Multivariate statistical modeling of an anode backing furnace - Modélisation statistique multivariée du four à cuisson des anodes utilisées dans la fabrication d'aluminium primaire

La stratégie actuelle de contrôle de la qualité de l’anode est inadéquate pour détecter les anodes défectueuses avant qu’elles ne soient installées dans les cuves d’électrolyse. Des travaux antérieurs ont porté sur la modélisation du procédé de fabrication des anodes afin de prédire leurs propriétés directement après la cuisson en utilisant des méthodes statistiques multivariées. La stratégie de carottage des anodes utilisée à l’usine partenaire fait en sorte que ce modèle ne peut être utilisé que pour prédire les propriétés des anodes cuites aux positions les plus chaudes et les plus froides du four à cuire. Le travail actuel propose une stratégie pour considérer l’histoire thermique des anodes cuites à n’importe quelle position et permettre de prédire leurs propriétés. Il est montré qu’en combinant des variables binaires pour définir l’alvéole et la position de cuisson avec les données routinières mesurées sur le four à cuire, les profils de température des anodes cuites à différentes positions peuvent être prédits. Également, ces données ont été incluses dans le modèle pour la prédiction des propriétés des anodes. Les résultats de prédiction ont été validés en effectuant du carottage supplémentaire et les performances du modèle sont concluantes pour la densité apparente et réelle, la force de compression, la réactivité à l’air et le Lc et ce peu importe la position de cuisson.

Traitement de données observationnelles et développement d’un code de simulation pour SpIOMM et SITELLE

L’arrivée du spectromètre imageur à transformée de Fourier SITELLE au télescope Canada-France-Hawaï souligne la nécessité d’un calculateur de temps d’exposition permettant aux utilisateurs de l’instrument de planifier leurs observations et leurs demandes de temps de télescope. Une grande partie de mon projet est ainsi le développement d’un code de simulation capable de reproduire les résultats de SITELLE et de son prédecesseur SpIOMM, installé à l’Observatoire du Mont-Mégantic. La précision des simulations est confirmée par une comparaison avec des données SpIOMM et les premières observations de SITELLE. La seconde partie de mon projet consiste en une analyse spectrale de données observationelles. Prenant avantage du grand champ de vue de SpIOMM, les caractéristiques du gaz ionisé (vitesse radiale et intensité) sont étudiées pour l’ensemble de la paire de galaxies en interaction Arp 72. La courbe de rotation dans le visible ainsi que le gradient de métallicité de NGC 5996, la galaxie principale d’Arp 72, sont obtenues ici pour la première fois. La galaxie spirale NGC 7320 est également étudiée à partir d’observations faites à la fois avec SpIOMM et SITELLE.

SyllabO+ : la première base de données sous-lexicale du français québécois oral

Les unités linguistiques sous-lexicales (p.ex., la syllabe, le phonème ou le phone) jouent un rôle crucial dans le traitement langagier. En particulier, le traitement langagier est profondément influencé par la distribution de ces unités. Par exemple, les syllabes les plus fréquentes sont articulées plus rapidement. Il est donc important d’avoir accès à des outils permettant de créer du matériel expérimental ou clinique pour l’étude du langage normal ou pathologique qui soit représentatif de l’utilisation des syllabes et des phones dans la langue orale. L’accès à ce type d’outil permet également de comparer des stimuli langagiers en fonction de leurs statistiques distributionnelles, ou encore d’étudier l’impact de ces statistiques sur le traitement langagier dans différentes populations. Pourtant, jusqu’à ce jour, aucun outil n’était disponible sur l’utilisation des unités linguistiques sous-lexicales du français oral québécois. Afin de combler cette lacune, un vaste corpus du français québécois oral spontané a été élaboré à partir d’enregistrements de 184 locuteurs québécois. Une base de données de syllabes et une base de données de phones ont ensuite été construites à partir de ce corpus, offrant une foule d’informations sur la structure des unités et sur leurs statistiques distributionnelles. Le fruit de ce projet, intitulé SyllabO +, sera rendu disponible en ligne en accès libre via le site web http://speechneurolab.ca/fr/syllabo dès la publication de l’article le décrivant. Cet outil incomparable sera d’une grande utilité dans plusieurs domaines, tels que les neurosciences cognitives, la psycholinguistique, la psychologie expérimentale, la phonétique, la phonologie, l’orthophonie et l’étude de l’acquisition des langues.

Amplification d’impulsions brèves de haute énergie par effet Raman stimulé dans les fibres optiques

Le développement au cours des dernières décennies de lasers à fibre à verrouillage de modes permet aujourd’hui d’avoir accès à des sources fiables d’impulsions femtosecondes qui sont utilisées autant dans les laboratoires de recherche que pour des applications commerciales. Grâce à leur large bande passante ainsi qu’à leur excellente dissipation de chaleur, les fibres dopées avec des ions de terres rares ont permis l’amplification et la génération d’impulsions brèves de haute énergie avec une forte cadence. Cependant, les effets non linéaires causés par la faible taille du faisceau dans la fibre ainsi que la saturation de l’inversion de population du milieu compliquent l’utilisation d’amplificateurs fibrés pour l’obtention d’impulsions brèves dont l’énergie dépasse le millijoule. Diverses stratégies comme l’étirement des impulsions à des durées de l’ordre de la nanoseconde, l’utilisation de fibres à cristaux photoniques ayant un coeur plus large et l’amplification en parallèle ont permis de contourner ces limitations pour obtenir des impulsions de quelques millijoules ayant une durée inférieure à la picoseconde. Ce mémoire de maîtrise présente une nouvelle approche pour l’amplification d’impulsions brèves utilisant la diffusion Raman des verres de silice comme milieu de gain. Il est connu que cet effet non linéaire permet l’amplification avec une large bande passante et ce dernier est d’ailleurs couramment utilisé aujourd’hui dans les réseaux de télécommunications par fibre optique. Puisque l’adaptation des schémas d’amplification Raman existants aux impulsions brèves de haute énergie n’est pas directe, on propose plutôt un schéma consistant à transférer l’énergie d’une impulsion pompe quasi monochromatique à une impulsion signal brève étirée avec une dérive en fréquence. Afin d’évaluer le potentiel du gain Raman pour l’amplification d’impulsions brèves, ce mémoire présente un modèle analytique permettant de prédire les caractéristiques de l’impulsion amplifiée selon celles de la pompe et le milieu dans lequel elles se propagent. On trouve alors que la bande passante élevée du gain Raman des verres de silice ainsi que sa saturation inhomogène permettent l’amplification d’impulsions signal à une énergie comparable à celle de la pompe tout en conservant une largeur spectrale élevée supportant la compression à des durées très brèves. Quelques variantes du schéma d’amplification sont proposées, et leur potentiel est évalué par l’utilisation du modèle analytique ou de simulations numériques. On prédit analytiquement et numériquement l’amplification Raman d’impulsions à des énergies de quelques millijoules, dont la durée est inférieure à 150 fs et dont la puissance crête avoisine 20 GW.