Estudio y diseño de filtros pasobanda y en banda dual basados en resonadores microstrip open-loop acoplados

El proyecto está dedicado al estudio y diseño de filtros paso-banda y en banda dual con tecnología microstrip mediante estructuras resonantes de tipo open-loop. Se ha llevado a cabo el diseño de un filtro paso-banda con respuesta Chebyshev, un filtro pasobanda con ceros de transmisión y un filtro de banda dual para WCDMA y WiFi, empleado el método de diseño para filtros basados en resonadores inter-acoplados. Se presentan los modelos eléctricos de los filtros de RF simulados junto con sus respectivos layouts y se comparan las respuestas obtenidas de los dispositivos con las respuestas ideales. En el proyecto se realiza un estudio del comportamiento de los diferentes tipos de acoplamiento entre resonadores open-loop en función de la geometría de la estructura. Las tendencias de comportamiento de los acoplamientos permiten el diseño y colocación de los resonadores para satisfacer las especificaciones del filtro.

Stoneley wave modeling in heterogeneous porous media with viscous pore fluids

We implemented Biot-type porous wave equations in a pseudo-spectral numerical modeling algorithm for the simulation of Stoneley waves in porous media. Fourier and Chebyshev methods are used to compute the spatial derivatives along the horizontal and vertical directions, respectively. To prevent from overly short time steps due to the small grid spacing at the top and bottom of the model as a consequence of the Chebyshev operator, the mesh is stretched in the vertical direction. As a large benefit, the Chebyshev operator allows for an explicit treatment of interfaces. Boundary conditions can be implemented with a characteristics approach. The characteristic variables are evaluated at zero viscosity. We use this approach to model seismic wave propagation at the interface between a fluid and a porous medium. Each medium is represented by a different mesh and the two meshes are connected through the above described characteristics domain-decomposition method. We show an experiment for sealed pore boundary conditions, where we first compare the numerical solution to an analytical solution. We then show the influence of heterogeneity and viscosity of the pore fluid on the propagation of the Stoneley wave and surface waves in general.

A pseudo-spectral method for the simulation of poro-elastic seismic wave propagation in 2D polar coordinates using domain decomposition

We present a novel numerical approach for the comprehensive, flexible, and accurate simulation of poro-elastic wave propagation in 2D polar coordinates. An important application of this method and its extensions will be the modeling of complex seismic wave phenomena in fluid-filled boreholes, which represents a major, and as of yet largely unresolved, computational problem in exploration geophysics. In view of this, we consider a numerical mesh, which can be arbitrarily heterogeneous, consisting of two or more concentric rings representing the fluid in the center and the surrounding porous medium. The spatial discretization is based on a Chebyshev expansion in the radial direction and a Fourier expansion in the azimuthal direction and a Runge-Kutta integration scheme for the time evolution. A domain decomposition method is used to match the fluid-solid boundary conditions based on the method of characteristics. This multi-domain approach allows for significant reductions of the number of grid points in the azimuthal direction for the inner grid domain and thus for corresponding increases of the time step and enhancements of computational efficiency. The viability and accuracy of the proposed method has been rigorously tested and verified through comparisons with analytical solutions as well as with the results obtained with a corresponding, previously published, and independently bench-marked solution for 2D Cartesian coordinates. Finally, the proposed numerical solution also satisfies the reciprocity theorem, which indicates that the inherent singularity associated with the origin of the polar coordinate system is adequately handled.

A pseudo-spectral method for simulating of poro-elastic seismic wave propagation in complex borehole environments

We present a novel numerical approach for the comprehensive, flexible, and accurate simulation of poro-elastic wave propagation in cylindrical coordinates. An important application of this method is the modeling of complex seismic wave phenomena in fluid-filled boreholes, which represents a major, and as of yet largely unresolved, computational problem in exploration geophysics. In view of this, we consider a numerical mesh consisting of three concentric domains representing the borehole fluid in the center, the borehole casing and the surrounding porous formation. The spatial discretization is based on a Chebyshev expansion in the radial direction, Fourier expansions in the other directions, and a Runge-Kutta integration scheme for the time evolution. A domain decomposition method based on the method of characteristics is used to match the boundary conditions at the fluid/porous-solid and porous-solid/porous-solid interfaces. The viability and accuracy of the proposed method has been tested and verified in 2D polar coordinates through comparisons with analytical solutions as well as with the results obtained with a corresponding, previously published, and independently benchmarked solution for 2D Cartesian coordinates. The proposed numerical solution also satisfies the reciprocity theorem, which indicates that the inherent singularity associated with the origin of the polar coordinate system is handled adequately.

Simulation of surface waves in porous media

We present a novel numerical algorithm for the simulation of seismic wave propagation in porous media, which is particularly suitable for the accurate modelling of surface wave-type phenomena. The differential equations of motion are based on Biot's theory of poro-elasticity and solved with a pseudospectral approach using Fourier and Chebyshev methods to compute the spatial derivatives along the horizontal and vertical directions, respectively. The time solver is a splitting algorithm that accounts for the stiffness of the differential equations. Due to the Chebyshev operator the grid spacing in the vertical direction is non-uniform and characterized by a denser spatial sampling in the vicinity of interfaces, which allows for a numerically stable and accurate evaluation of higher order surface wave modes. We stretch the grid in the vertical direction to increase the minimum grid spacing and reduce the computational cost. The free-surface boundary conditions are implemented with a characteristics approach, where the characteristic variables are evaluated at zero viscosity. The same procedure is used to model seismic wave propagation at the interface between a fluid and porous medium. In this case, each medium is represented by a different grid and the two grids are combined through a domain-decomposition method. This wavefield decomposition method accounts for the discontinuity of variables and is crucial for an accurate interface treatment. We simulate seismic wave propagation with open-pore and sealed-pore boundary conditions and verify the validity and accuracy of the algorithm by comparing the numerical simulations to analytical solutions based on zero viscosity obtained with the Cagniard-de Hoop method. Finally, we illustrate the suitability of our algorithm for more complex models of porous media involving viscous pore fluids and strongly heterogeneous distributions of the elastic and hydraulic material properties.

Designing Digital Filters for Servo Systems

The aim of this work was to select an appropriate digital filter for a servo application and to filter the noise from the measurement devices. Low pass filter attenuates the high frequency noise beyond the specified cut-off frequency. Digital lowpass filters in both IIR and FIR responses were designed and experimentally compared to understand their characteristics from the corresponding step responses of the system. Kaiser Windowing and Equiripple methods were selected for FIR response, whereas Butterworth, Chebyshev, InverseChebyshev and Elliptic methods were designed for IIR case. Limitations in digital filter design for a servo system were analysed. Especially the dynamic influences of each designed filter on the control stabilityof the electrical servo drive were observed. The criterion for the selection ofparameters in designing digital filters for servo systems was studied. Control system dynamics was given significant importance and the use of FIR and IIR responses in different situations were compared to justify the selection of suitableresponse in each case. The software used in the filter design was MatLab/Simulink® and dSPACE's DSP application. A speed controlled Permanent Magnet Linear synchronous Motor was used in the experimental work.

Stability Analysis in Multicriteria Discrete Portfolio Optimization.

Almost every problem of design, planning and management in the technical and organizational systems has several conflicting goals or interests. Nowadays, multicriteria decision models represent a rapidly developing area of operation research. While solving practical optimization problems, it is necessary to take into account various kinds of uncertainty due to lack of data, inadequacy of mathematical models to real-time processes, calculation errors, etc. In practice, this uncertainty usually leads to undesirable outcomes where the solutions are very sensitive to any changes in the input parameters. An example is the investment managing. Stability analysis of multicriteria discrete optimization problems investigates how the found solutions behave in response to changes in the initial data (input parameters). This thesis is devoted to the stability analysis in the problem of selecting investment project portfolios, which are optimized by considering different types of risk and efficiency of the investment projects. The stability analysis is carried out in two approaches: qualitative and quantitative. The qualitative approach describes the behavior of solutions in conditions with small perturbations in the initial data. The stability of solutions is defined in terms of existence a neighborhood in the initial data space. Any perturbed problem from this neighborhood has stability with respect to the set of efficient solutions of the initial problem. The other approach in the stability analysis studies quantitative measures such as stability radius. This approach gives information about the limits of perturbations in the input parameters, which do not lead to changes in the set of efficient solutions. In present thesis several results were obtained including attainable bounds for the stability radii of Pareto optimal and lexicographically optimal portfolios of the investment problem with Savage's, Wald's criteria and criteria of extreme optimism. In addition, special classes of the problem when the stability radii are expressed by the formulae were indicated. Investigations were completed using different combinations of Chebyshev's, Manhattan and Hölder's metrics, which allowed monitoring input parameters perturbations differently.

An Eigenfunction Approach for Volatility Modeling.

In this paper, we introduce a new approach for volatility modeling in discrete and continuous time. We follow the stochastic volatility literature by assuming that the variance is a function of a state variable. However, instead of assuming that the loading function is ad hoc (e.g., exponential or affine), we assume that it is a linear combination of the eigenfunctions of the conditional expectation (resp. infinitesimal generator) operator associated to the state variable in discrete (resp. continuous) time. Special examples are the popular log-normal and square-root models where the eigenfunctions are the Hermite and Laguerre polynomials respectively. The eigenfunction approach has at least six advantages: i) it is general since any square integrable function may be written as a linear combination of the eigenfunctions; ii) the orthogonality of the eigenfunctions leads to the traditional interpretations of the linear principal components analysis; iii) the implied dynamics of the variance and squared return processes are ARMA and, hence, simple for forecasting and inference purposes; (iv) more importantly, this generates fat tails for the variance and returns processes; v) in contrast to popular models, the variance of the variance is a flexible function of the variance; vi) these models are closed under temporal aggregation.

Distribution-Free Bounds for Serial Correlation Coefficients in Heteroskedastic Symmetric Time Series

We consider the problem of testing whether the observations X1, ..., Xn of a time series are independent with unspecified (possibly nonidentical) distributions symmetric about a common known median. Various bounds on the distributions of serial correlation coefficients are proposed: exponential bounds, Eaton-type bounds, Chebyshev bounds and Berry-Esséen-Zolotarev bounds. The bounds are exact in finite samples, distribution-free and easy to compute. The performance of the bounds is evaluated and compared with traditional serial dependence tests in a simulation experiment. The procedures proposed are applied to U.S. data on interest rates (commercial paper rate).

Modes de représentation pour l'éclairage en synthèse d'images

Réalisé en cotutelle avec l'Université Bordeaux 1 (France)

Classification analytique de systèmes différentiels linéaires déployant une singularité irrégulière de rang de Poincaré 1

Cette thèse traite de la classification analytique du déploiement de systèmes différentiels linéaires ayant une singularité irrégulière. Elle est composée de deux articles sur le sujet: le premier présente des résultats obtenus lors de l'étude de la confluence de l'équation hypergéométrique et peut être considéré comme un cas particulier du second; le deuxième contient les théorèmes et résultats principaux. Dans les deux articles, nous considérons la confluence de deux points singuliers réguliers en un point singulier irrégulier et nous étudions les conséquences de la divergence des solutions au point singulier irrégulier sur le comportement des solutions du système déployé. Pour ce faire, nous recouvrons un voisinage de l'origine (de manière ramifiée) dans l'espace du paramètre de déploiement $\epsilon$. La monodromie d'une base de solutions bien choisie est directement reliée aux matrices de Stokes déployées. Ces dernières donnent une interprétation géométrique aux matrices de Stokes, incluant le lien (existant au moins pour les cas génériques) entre la divergence des solutions à $\epsilon=0$ et la présence de solutions logarithmiques autour des points singuliers réguliers lors de la résonance. La monodromie d'intégrales premières de systèmes de Riccati correspondants est aussi interprétée en fonction des éléments des matrices de Stokes déployées. De plus, dans le second article, nous donnons le système complet d'invariants analytiques pour le déploiement de systèmes différentiels linéaires $x^2y'=A(x)y$ ayant une singularité irrégulière de rang de Poincaré $1$ à l'origine au-dessus d'un voisinage fixé $\mathbb{D}_r$ dans la variable $x$. Ce système est constitué d'une partie formelle, donnée par des polynômes, et d'une partie analytique, donnée par une classe d'équivalence de matrices de Stokes déployées. Pour chaque valeur du paramètre $\epsilon$ dans un secteur pointé à l'origine d'ouverture plus grande que $2\pi$, nous recouvrons l'espace de la variable, $\mathbb{D}_r$, avec deux secteurs et, au-dessus de chacun, nous choisissons une base de solutions du système déployé. Cette base sert à définir les matrices de Stokes déployées. Finalement, nous prouvons un théorème de réalisation des invariants qui satisfont une condition nécessaire et suffisante, identifiant ainsi l'ensemble des modules.

Aspects géométriques et intégrables des modèles de matrices aléatoires

Travail réalisé en cotutelle avec l'université Paris-Diderot et le Commissariat à l'Energie Atomique sous la direction de John Harnad et Bertrand Eynard.

Représentation d'un polynôme par un circuit arithmétique et chaînes additives

Un circuit arithmétique dont les entrées sont des entiers ou une variable x et dont les portes calculent la somme ou le produit représente un polynôme univarié. On assimile la complexité de représentation d'un polynôme par un circuit arithmétique au nombre de portes multiplicatives minimal requis pour cette modélisation. Et l'on cherche à obtenir une borne inférieure à cette complexité, et cela en fonction du degré d du polynôme. A une chaîne additive pour d, correspond un circuit arithmétique pour le monôme de degré d. La conjecture de Strassen prétend que le nombre minimal de portes multiplicatives requis pour représenter un polynôme de degré d est au moins la longueur minimale d'une chaîne additive pour d. La conjecture de Strassen généralisée correspondrait à la même proposition lorsque les portes du circuit arithmétique ont degré entrant g au lieu de 2. Le mémoire consiste d'une part en une généralisation du concept de chaînes additives, et une étude approfondie de leur construction. On s'y intéresse d'autre part aux polynômes qui peuvent être représentés avec très peu de portes multiplicatives (les d-gems). On combine enfin les deux études en lien avec la conjecture de Strassen. On obtient en particulier de nouveaux cas de circuits vérifiant la conjecture.

Irrégularités dans la distribution des nombres premiers et des suites plus générales dans les progressions arithmétiques

Le sujet principal de cette thèse est la distribution des nombres premiers dans les progressions arithmétiques, c'est-à-dire des nombres premiers de la forme $qn+a$, avec $a$ et $q$ des entiers fixés et $n=1,2,3,\dots$ La thèse porte aussi sur la comparaison de différentes suites arithmétiques par rapport à leur comportement dans les progressions arithmétiques. Elle est divisée en quatre chapitres et contient trois articles. Le premier chapitre est une invitation à la théorie analytique des nombres, suivie d'une revue des outils qui seront utilisés plus tard. Cette introduction comporte aussi certains résultats de recherche, que nous avons cru bon d'inclure au fil du texte. Le deuxième chapitre contient l'article \emph{Inequities in the Shanks-Rényi prime number race: an asymptotic formula for the densities}, qui est le fruit de recherche conjointe avec le professeur Greg Martin. Le but de cet article est d'étudier un phénomène appelé le <de Chebyshev>>, qui s'observe dans les <de nombres premiers>>. Chebyshev a observé qu'il semble y avoir plus de premiers de la forme $4n+3$ que de la forme $4n+1$. De manière plus générale, Rubinstein et Sarnak ont montré l'existence d'une quantité $\delta(q;a,b)$, qui désigne la probabilité d'avoir plus de premiers de la forme $qn+a$ que de la forme $qn+b$. Dans cet article nous prouvons une formule asymptotique pour $\delta(q;a,b)$ qui peut être d'un ordre de précision arbitraire (en terme de puissance négative de $q$). Nous présentons aussi des résultats numériques qui supportent nos formules. Le troisième chapitre contient l'article \emph{Residue classes containing an unexpected number of primes}. Le but est de fixer un entier $a\neq 0$ et ensuite d'étudier la répartition des premiers de la forme $qn+a$, en moyenne sur $q$. Nous montrons que l'entier $a$ fixé au départ a une grande influence sur cette répartition, et qu'il existe en fait certaines progressions arithmétiques contenant moins de premiers que d'autres. Ce phénomène est plutôt surprenant, compte tenu du théorème des premiers dans les progressions arithmétiques qui stipule que les premiers sont équidistribués dans les classes d'équivalence $\bmod q$. Le quatrième chapitre contient l'article \emph{The influence of the first term of an arithmetic progression}. Dans cet article on s'intéresse à des irrégularités similaires à celles observées au troisième chapitre, mais pour des suites arithmétiques plus générales. En effet, nous étudions des suites telles que les entiers s'exprimant comme la somme de deux carrés, les valeurs d'une forme quadratique binaire, les $k$-tuplets de premiers et les entiers sans petit facteur premier. Nous démontrons que dans chacun de ces exemples, ainsi que dans une grande classe de suites arithmétiques, il existe des irrégularités dans les progressions arithmétiques $a\bmod q$, avec $a$ fixé et en moyenne sur $q$.

A Generalization of a Theorem of Boyd and Lawton

Ce mémoire s’applique à étudier d’abord, dans la première partie, la mesure de Mahler des polynômes à une seule variable. Il commence en donnant des définitions et quelques résultats pertinents pour le calcul de telle hauteur. Il aborde aussi le sujet de la question de Lehmer, la conjecture la plus célèbre dans le domaine, donne quelques exemples et résultats ayant pour but de résoudre la question. Ensuite, il y a l’extension de la mesure de Mahler sur les polynômes à plusieurs variables, une démarche semblable au premier cas de la mesure de Mahler, et le sujet des points limites avec quelques exemples. Dans la seconde partie, on commence par donner des définitions concernant un ordre supérieur de la mesure de Mahler, et des généralisations en passant des polynômes simples aux polynômes à plusieurs variables. La question de Lehmer existe aussi dans le domaine de la mesure de Mahler supérieure, mais avec des réponses totalement différentes. À la fin, on arrive à notre objectif, qui sera la démonstration de la généralisation d’un théorème de Boyd-Lawton, ce dernier met en évidence une relation entre la mesure de Mahler des polynômes à plusieurs variables avec la limite de la mesure de Mahler des polynômes à une seule variable. Ce résultat a des conséquences en termes de la conjecture de Lehmer et sert à clarifier la relation entre les valeurs de la mesure de Mahler des polynômes à une variable et celles des polynômes à plusieurs variables, qui, en effet, sont très différentes en nature.