Cette thèse s'intéresse aux réseaux bayésiens, aux filtres particulaires et à leur application aux communications numériques. Tout d'abord, nous donnons une construction rigoureuse et très générale des réseaux bayésiens et nous présentons l'algorithme de propagation de croyance dans ce contexte. Puis, nous introduisons un nouveau type de filtre particulaire, appelé "filtre particulaire à échantillonnage global", et nous constatons en effectuant des simulations numériques que ce nouvel algorithme se compare favorablement à l'état de l'art. Nous utilisons ensuite le filtrage particulaire pour calculer de façon approchée certains messages de l'algorithme de propagation de croyance. Nous obtenons ainsi un nouvel algorithme, combinant propagation de croyance et filtrage particulaire, que nous avons appelé "algorithme de turbo-filtrage particulaire». Enfin, nous utilisons ces différentes techniques afin de concevoir de façon méthodique un récepteur de communications numériques.

Les systèmes de télécommunications optiques sont au coeur de la révolution Internet depuis son origine. Le transport optique est la technologie incontournable pour pouvoir véhiculer le trafic de données à l’échelle mondiale. Depuis quelques années, l’explosion de la quantité de données nécessite de disposer de systèmes pouvant fonctionner à des débits plus élevés. Par ailleurs, la bande passante de la fibre optique, longtemps considérée comme infinie, est désormais repoussée à ses limites. De plus, les composants électro-optiques aux différentes interfaces ne progressent plus à un rythme suffisant pour permettre d’augmenter significativement le débit binaire. La problématique de l’égalisation est un sujet bien connu dans le domaine des télécommunications optiques. Cependant, pour augmenter le débit des systèmes, vers 100 Gb/s et au-delà, des formats de modulation principalement multi-niveaux sont aujourd’hui nécessaires. Dans ce nouveau contexte, l’égalisation devient indispensable même si elle est plus complexe à mettre en oeuvre à ce niveau de rapidité. Ce travail de thèse s’intéresse à l’étude et à la réalisation des égaliseurs analogiques pour les formats de modulation multi-niveaux à des débits binaires de 100 Gb/s. Les différentes réalisations sont basées sur la technologie de transistor bipolaire à double hétérojonction (TBDH) en phosphure d’indium (InP), développée au sein du laboratoire III-V Lab et présentant un couple fT/fmax aux alentours de 400 GHz, avec une tension de claquage supérieure à 4V. Plusieurs égaliseurs analogiques ont été conçus et mesurés au cours de cette thèse. Des circuits d’égalisation comportant peu de transistors ont été développés, afin de démontrer des meilleures performances en terme de peaking fréquentiel comparées à l’état de l’art international. À partir de ces briques de base, nous avons conçu des égaliseur sanalogiques linéaires de type feed-forward, répondant parfaitement à la problématique d’égalisation des systèmes de télécommunications optiques actuels utilisant des formats de modulation multi-niveaux. Les mesures de ces égaliseurs analogiques réalisés ont démontré l’égalisation de signaux numériques sévèrement filtrés à un débit binaire de 100 Gb/s. / Optical communication systems are the core of the current Internet revolution. Indeed, optical network is the main technology in order to spread global IP traffic. The growing demand of data bandwidth all over the world are pushing optical communication systems beyond their limits. Thus it requires systems which are higher data rate compliant. Besides, the fiber optic has been historically considered as having an infinite bandwidth, but its physical limits are being gradually reached. Moreover, electro-optical components are no more keeping pace with the current increasing data rate.Equalization is a well-known subject in the optical communication field. In order to increase system data rates beyond 100 Gb/s, multilevel format modulation are required. In this context, equalization is still mandatory but more complex to implement.The goal of this thesis is to study and design analog equalizers for complex modulation format with a 100-Gb/s bit rate. All of these circuits are based on indium-phosphide (InP) double heterojunction bipolar transistor (DHBT) technology from III-V Lab. Its fT/fmax couple almost reaches 400 GHz, and the breakdown voltage is higher than4V. Many analog equalizers have been designed and measured over this thesis. First of all, equalization circuits with few transistors have been designed in order to demonstrate state-of-the-art analog equalizer performances, mainly regarding peaking frequency parameter. From these building blocks, feed-forward analog equalizers have been studied and designed, thus answering to the initial requirement of current optical communication systems using complex modulation format. Measurements demonstrated a remarkable equalization performance on strongly filtered 100-Gb/s digital signals.

L'objectif des travaux réalisés dans le cadre de cette thèse est d'étudier l'association des techniques de transmission multi-antennes (MIMO) avec des schémas de réception itératifs dans un contexte de transmission sans fil haut débit.<br /><br />A largeur de bande et qualité de réception équivalentes, l'utilisation d'antennes multiples en communications numériques permet d'augmenter le débit utile de la transmission. Cependant sous l'hypothèse d'une non connaissance du canal à l'émission, les potentialités du canal MIMO ne sont généralement exploitées qu'au prix d'une réception très complexe, difficilement réalisable au sein d'un circuit intégré. <br /><br />Tout d'abord, afin de lutter contre la sélectivité fréquentielle et de simplifier le traitement en réception, nous choisissons d'associer la modulation multi-porteuses OFDM à des schémas de transmission MIMO. Par ailleurs, en étendant les résultats obtenus dans le domaine de la turbo-égalisation au contexte multi-antennes, nous étudions une technique de réception itérative adaptée au schéma de transmission MIMO-OFDM. L'utilisation de filtres linéaires optimisés au sens du critère Minimum Mean Square Error (MMSE) confère aux récepteurs une complexité raisonnable et conciliable avec les exigences d'implémentation.<br /><br />Les récepteurs proposés sont ensuite associés à des techniques complémentaires telles que le précodage linéaire ou le MC-CDMA. Il est démontré qu'en dimensionnant convenablement l'émission il est possible de tirer parti de toute la diversité du canal de propagation tout en exploitant de façon optimale sa capacité.<br /><br />Les performances de différents systèmes sont enfin évaluées sur différents canaux théoriques puis réalistes, en examinant notamment l'influence de la corrélation entre antennes et en intégrant la fonction d'estimation de canal. Dans ces différents contextes, la comparaison avec des systèmes conventionnels montre l'intérêt d'utiliser une réception itérative.

Depuis quelques années, les techniques multi-antennes sont envisagées comme solution<br />potentielle pour augmenter le débit des futurs systèmes de communications sans fils. L'objectif<br />de cette thèse est d'étudier et d'améliorer les techniques d'émission et de réception de ces<br />systèmes MIMO (Multiple Input Multiple Output) dans un contexte multi-porteuses.<br />En effet, l'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), qui permet de transformer<br />un canal sélectif en fréquence en de multiples canaux non sélectifs, est particulièrement bien<br />adapté à la conception de récepteurs MIMO peu complexes.<br />D'autre part, deux techniques permettant d'améliorer l'exploitation de la diversité fréquentielle<br />et/ou temporelle sont associées à l'OFDM, à savoir le précodage linéaire (LP-OFDM) et<br />le CDMA dans un schéma de type MC-CDMA (Multicarrier-Code division Multiplex Access).<br />Nous avons associé le LP-OFDM et le MC-CDMA à deux techniques MIMO ne nécessitant<br />pas de connaissance du canal à l'émission, le codage espace-temps en blocs STBC (Space-Time<br />Block Coding) et le multiplexage spatial.<br />On montre que pour les deux systèmes MIMO MC-CDMA et MIMO LP-OFDM, les diversités<br />spatiales, temporelles et fréquentielles sont efficacement exploitées.<br />L'avantage de l'association avec les STBC orthogonaux est que des récepteurs particulièrement<br />simples peuvent être mis en oeuvre. En effet, pour un système STBC LP-OFDM, un<br />simple égaliseur linéaire MMSE fournit des performances proches de celles obtenues avec un<br />récepteur à maximum de vraisemblance permettant l'utilisation de grandes matrices de précodage.<br />En STBC MC-CDMA, des récepteurs mono-utilisateur conduisent, comme en SISO<br />MC-CDMA, au meilleur compromis performances/complexité.<br />Lorsque le LP-OFDM ou le MC-CDMA sont associés à du multiplexage spatial, le surplus<br />de complexité des récepteurs est inhérent à la gestion de l'interférence multi-antennes. Nous<br />avons démontré que la mise en oeuvre d'un simple récepteur de type MMSE nécessitant<br />l'inversion de la matrice de canal MIMO conduit à de très bonnes performances. Un processus<br />similaire peut également être appliqué pour des STBC non orthogonaux.<br />Associés à un système itératif lors de l'insertion d'un codage de canal à l'émission, tous<br />ces systèmes peuvent atteindre les performances de la borne du filtre adapté proche des performances<br />de la courbe gaussienne en utilisant de simples opérations.<br />Le gain en efficacité spectrale et en performances est à l'avantage des techniques à multiplexage<br />spatial car elles profitent de l'augmentation linéaire de la capacité avec le minimum<br />du nombre d'antennes d'émission et de réception. Le compromis débit/complexité indiquera<br />le choix du système MIMO à associer au LP-OFDM ou au MC-CDMA. Les performances sont<br />étudiées avec ou sans corrélation et sur des canaux théoriques et réalistes.

Cette thèse traite du problème de l'égalisation des modulations codées pour les transmissions haut-débit sur canaux sélectifs en fréquence, sujets au phénomène d'interférence entre symboles. Nous considérons plus particulièrement la Turbo-Égalisation, qui instaure un échange réciproque d'information entre l'égaliseur et le décodeur, et ce de manière itérative. Nous étudions dans un premier temps le turbo-égaliseur MAP, qui utilise un égaliseur optimal au sens de la minimisation de la p probabilité d'erreur par symbole. Nous montrons que ce récepteur offre des gains de performances importants en comparaison avec les récepteurs conventionnels où les opérations d'égalisation et décodage sont généralement effectuées de manière disjointe. En contrepartie, la complexité du turbo-égaliseur MAP devient rapidement prohibitive en présence de modulations à grand nombre d'états et sur des canaux présentant des étalements temporels importants. En conséquence, nous nous intéressons à une seconde classe de turbo-égaliseurs de moindre complexité et reposant sur des égaliseurs à base de filtres linéaires, optimisés selon le critère MEQM. La nouveauté consiste ici à prendre en compte explicitement la présence d'information a priori dans le calcul des coefficients des filtres, ce qui conduit à des structures bien plus performantes que les égaliseurs MEQM classiques. Nos études montrent que ce type de récepteur constitue une solution attractive pour les transmissions à grande efficacité spectrale sur canaux sélectifs en fréquence. Finalement, nous présentons la mise en oeuvre d'un turbo-égaliseur MEQM sur un DSP virgule-fixe et faible coût, le TMS320VC5509, typiquement destiné aux terminaux mobiles. Nous obtenons ainsi un débit utile de 42 Kbits/s après 5 itérations avec une implémentation en langage C, ce qui démontre la faisabilité de tels récepteurs avec les moyens technologiques actuels.

Si les drones militaires connaissent un développement important depuis une quinzaine d’année, suivi depuis quelques années par les drones civiles dont les usages ne font que se multiplier, en réalité les drones ont un siècle avec le premier vol d’un avion équipé d’un système de pilotage automatique sur une centaine de kilomètre en 1918. La question des règles d’usage des drones civiles sont en cours de développement malgré leur multiplication pour des usages allant de l’agriculture, à l’observation en passant par la livraison de colis. Ainsi, leur intégration dans l’espace aérien reste un enjeu important, ainsi que les standards de communication avec ces drones dans laquelle s’inscrit cette thèse. Cette thèse vise en effet à étudier et proposer des solutions pour les liens de communications des drones par satellite.L’intégration de ce lien de communication permet d’assurer la fiabilité des communications et particulièrement du lien de Commande et Contrôle partout dans le monde, en s’affranchissant des contraintes d’un réseau terrestre (comme les zones blanches). En raison de la rareté des ressources fréquentielles déjà allouées pour les futurs systèmes intégrant des drones, l’efficacité spectrale devient un paramètre important pour leur déploiement à grande échelle et le contexte spatiale demande l’utilisation d’un système de communication robuste aux non-linéarités. Les Modulations à Phase Continue permettent de répondre à ces problématiques. Cependant, ces dernières sont des modulations non-linéaire à mémoire entraînant une augmentation de la complexité des récepteurs. Du fait de la présence d’un canal multi-trajet (canal aéronautique par satellite), le principal objectif de cette thèse est de proposer des algorithmes d’égalisation (dans le domaine fréquentiel pour réduire leur complexité) et de synchronisation pour CPM adaptés à ce concept tout en essayant de proposer une complexité calculatoire raisonnable. Dans un premier temps, nous avons considéré uniquement des canaux sélectifs en fréquence et avons étudier les différents égaliseurs de la littérature. En étudiant leur similitudes et différences, nous avons pu développer un égaliseur dans le domaine fréquentiel qui proposant les mêmes performances a une complexité moindre. Nous proposons également des méthodes d’estimation canal et une méthode d’estimation conjointe du canal et de la fréquence porteuse. Dans un second temps nous avons montré comment étendre ces méthodes à des canaux sélectifs en temps et fréquence permettant ainsi de conserver une complexité calculatoire raisonnable.

Le contexte de ces travaux de thèse est la transmission dite faster-than-Nyquist (FTN). Cette technique propose d’augmenter l’efficacité spectrale en augmentant lerythme de transmission au-delà de la bande occupée par le signal émis, indépendamment de laconstellation choisie. Il a été montré que le FTN offre des taux d’information supérieurs à ceuxdes systèmes de Nyquist. Toutefois, le non respect du critère de Nyquist entraîne l’apparitiond’interférence entre symboles et des techniques de réception appropriées doivent être utilisées.La technique de réception dite channel shortening consiste à filtrer la séquence reçue puis àcalculer des probabilités symbole a posteriori approximatives à l’aide de l’algorithme BCJRen considérant une réponse de canal modifiée, de longueur réduite. Dans la littérature, enprésence d’information a priori, les filtres du récepteur channel shortening sont optimiséssous critère de maximisation de l’information mutuelle généralisée (IMG) en utilisant desméthodes numériques. Nous proposons dans ces travaux de thèse une solution analytiquepour l’ensemble des filtres channel shortening sous critère de maximisation de l’IMG lorsquele récepteur dispose d’information a priori. Nous démontrons ensuite que l’égaliseur au sens dela minimisation de l’erreur quadratique moyenne (MMSE) est un cas particulier de l’égaliseurchannel shortening. Dans le cadre de la turbo égalisation, nous étudions ensuite un estimateurpermettant d’obtenir l’information a priori à partir de l’information en sortie du décodeurcorrecteur d’erreurs. Finalement, nous évaluons les performances du système complet aveccodage correcteur d’erreurs sur canal à bruit additif blanc Gaussien. / In order to increase the spectral efficiency of digital communications systems,the faster-than-Nyquist (FTN) approach increases the symbol rate beyond the occupied bandwidthof the transmitted signal independently of the constellation type and size. It has beenshown that information rates of FTN systems are greater than those of Nyquist systems.However, the non-compliance of the Nyquist criterion causes inter-symbol interference to appearand therefore appropriate reception techniques must be used. At reception, the channelshortening approach consists on a receiving filter followed by a BCJR algorithm computingapproximate a posteriori symbol probabilities by considering a modified channel response ofreduced length. In the literature, the channel shortening receiving filters are chosen to maximizethe generalized mutual information (GMI). Such optimization is performed by usingnumerical optimization methods. In this PhD thesis, we propose a closed-form solution forall channel shortening filters considering the GMI maximization criterion. We show that theminimum mean square error (MMSE) equalizer is a particular case of the channel shorteningapproach. Within the frame of turbo equalization, we then study a suitable estimator allowingto obtain symbols a priori information from the information provided by the a decoder. Finally,we study the performance of the complete system with channel coding over an additivewhite Gaussian noise channel.

In the nineties, two major events brought about a revolution in the field of digital communications: the invention of turbo codes and the development of multiple-input multiple-output (MIMO) wireless systems. The turbo codes are error-correcting codes which enable communication systems to operate close to the channel capacity with a reasonable complexity. Multiple-antenna transceivers, a.k.a. MIMO wireless systems, mitigate the effect of multipath fading that occurs in most terrestrial wireless communications. MIMO transmissions are more reliable than single-input single-output transmissions. Moreover, the data rate achievable by MIMO systems is also much higher. This thesis combines these two recent breakthroughs in digital communications. Iterative decoding is a key factor in the success of turbo codes. This principle has proved to be so powerful that it has soon been applied to other schemes such as iterative channel equalization, also known as turbo equalization. In the first part of this thesis, we derived a low-complexity iterative equalizer for frequency-selective MIMO channels. Its robustness against channel estimation errors was also addressed. The second part of this thesis is devoted to the estimation of the channel impulse response and the noise variance for coded transmissions over MIMO channels. We proposed several new iterative estimators based on the expectation-maximization algorithm, the expectation-conditionalmaximization algorithm and the minimum mean square error criterion. Finally, we derived lower bounds on the mean square error of channel estimators. In particular, the Cramer-Rao bound for the estimation of frequency-selective MIMO channels were computed. We mainly investigated the case where no training sequence are transmitted and the case where the receiver has a partial knowledge of the transmitted sequence.

L'objectif de cette thèse est l'étude de récepteurs MIMO LDPC itératifs. Les techniques MIMO permettent d'augmenter la capacité des réseaux sans fil sans la nécessité de ressources fréquentielles additives. Associées aux schémas de modulations multiporteuses CP-OFDM, les techniques MIMO sont ainsi devenues la pierre angulaire pour les systèmes sans fil à haute efficacité spectrale. La réception optimale peut être obtenue à l'aide d'une réception conjointe (Egalisation/Décodage). Étant très complexe, la réception conjointe n'est pas envisagée et l'égalisation et le décodage sont réalisés disjointement au coût d'une dégradation significative en performances. Entre ces deux solutions, la réception itérative trouve son intérêt pour sa capacité à s'approcher des performances optimales avec une complexité réduite. La conception de récepteurs itératifs pour certaines applications, de type WiFi à titre d'exemple doit respecter la structure du code imposée par la norme. Ces codes ne sont pas optimisés pour des récepteurs itératifs. En observant l'effet du nombre d' itérations dans le processus itératif, on montre par simulation que l'ordonnancement des itérations décodage LDPC/Turbo-égalisation joue un rôle important dans la complexité et le délai du récepteur. Nous proposons de définir des ordonnancements permettant de réduire la complexité globale du récepteur. Deux approches sont proposées, une approche statique ainsi qu'une autre dynamique. Ensuite nous considérons un système multi-utilisateur avec un accès multiple par répartition spatiale. Nous étudions l'intérêt de la réception itérative dans ce contexte tenant en compte la différence de puissance signale utile/interférence.

Avec la multiplication des terminaux mobiles et le foisonnement des objets dits « connectés », on assiste à la montée d'un besoin de moyens de communication à tout endroit et en toute situation, accompagné d'un encombrement spectral toujours plus important. Dans ce contexte, si la capacité d'adaptation au canal des modulations multiporteuses permet de bien s'accommoder du besoin de communication en tout endroit, les techniques actuelles, en particulier l'OFDM, souffrent d'une mauvaise localisation fréquentielle et d'un mauvais facteur de crête, ce qui limite leur utilisation dans un contexte embarqué et/ou en présence de fortes contraintes spectrales. Dans cette thèse, nous étudions les modulations multiporteuses au-delà de la cadence de Nyquist. En augmentant la densité de signalisation, ces dernières permettent d'augmenter l'efficacité spectrale. Cela est cependant contrebalancé par l'apparition d'auto-interférence, ce qui rend la réception plus délicate.Sur canal à bruit additif blanc gaussien, on montre comment choisir des impulsions de mise en forme maximisant le rapport signal à interférence plus bruit. On montre que ces dernières permettent d'obtenir une turbo-égalisation linéaire de l'auto-interférence minimisant l'erreur quadratique moyenne. Nos travaux mettent en évidence que ces mêmes impulsions permettent également de réduire le facteur de crête à mesure que la densité augmente. Enfin, sur canal sélectif en fréquence, on vérifie que l'approximation du canal par un coefficient par sous-porteuse est toujours possible. Ces résultats montrent que ce nouveau type de modulation permet d'augmenter l'efficacité spectrale tout en conservant la capacité d'adaptation au canal intrinsèque aux modulations multiporteuses. / With an increasing number of mobile terminals coupled with a large spreading of so-called "smart devices", we can see a growing demand for effective communication means in any place and in any situation.This goes with a more and more overcrowded spectrum.In this context, multicarrier modulations are good candidates to allow effective communication in any place.However current techniques, OFDM in particular, suffer from a bad time--frequency localization and peak-to-average power ratio, limiting their relevancy in an embedded context, or in scenarios with severe spectral constraints.In this thesis, we study faster-than-Nyquist multicarrier modulations.This kind of modulation allow for an increase in spectral efficiency by means of an increase in signaling density.This, in compensation, comes at the price of unavoidable self-interference, which makes demodulation harder.On an additive white Gaussian noise channel, we show how to carefully chose pulse-shapes that maximize signal-to-interference-plus-noise ratio.We show that these particular pulse-shapes yields a linear turbo-equalization of self-interference minimizing the mean squared error.Next, our work highlights the capability of these optimal pulse-shapes to reduce peak-to-average power ratio as density rises.Lastly, on frequency selective channels, we confirm that low complexity equalization using one tap by subcarrier is still possible.These results show how this new modulation technique helps increasing spectral efficiency while keeping what made multicarrier modulations popular: good adaptation to transmission channels.