Cette thèse a pour objectif de reproduire au mieux un champ sonore enregistré par une antenne de microphones au moyen d'un réseau de sources secondaires. Pour y parvenir, nous avons dans un premier temps réalisé une étude approfondie des représentations harmoniques et intégrales des champs sonores. Dans un deuxième temps, nous avons mis au point des algorithmes qui utilisent la représentation du champ sonore en ondes planes pour effectuer l'analyse et la synthèse.L'algorithme d'analyse proposé est un algorithme de formation de voies donnant une solution analytique au problème de la minimisation du repliement. Le problème de l'optimisation de la géométrie de l'antenne est aussi abordé. L'algorithme utilisé pour la synthèse est un algorithme flexible pour l'égalisation dans un contexte multicanal, qui permet de réduire les artefacts des méthodes traditionnelles, tels que le pré-écho et le post-écho. Finalement, l'efficacité de ces algorithmes d'analyse et de synthèse est démontrée par des simulations et validée par des manipulations.

Au cours des dernières années, les services haut débit et les applications Internet ont explosé, provoquant un problème de saturation dans les réseaux et engendrant une augmentation de la demande de débit. Ceci a poussé les opérateurs à augmenter la capacité de leurs systèmes de transmission optiques WDM en introduisant les systèmes 100G et plus dans les réseaux coeurs. Avec les nouvelles possibilités offertes par les circuits numériques rapides, les systèmes optiques à réception cohérente ont attiré beaucoup d'attention durant ces dernières années. Outre l'amélioration de la sensibilité du récepteur, l'intérêt réside aussi dans l'augmentation de l'efficacité spectrale ainsi que la robustesse contre les effets de propagation dans les fibres. Dans cette thèse, nous développons des outils robustes de traitement numérique du signal spécifiques au canal optique et aux transmissions utilisant le multiplexage de polarisation(POLMUX) et des modulations de phase et d'amplitude (QAM). Ces algorithmes effectuent les opérations d'estimation de phase et de l'écart de fréquence, ainsi que d'égalisation et poursuite des variations du canal. L'optimisation de ces algorithmes est essentielle vu qu'ils sont à implémenter dans des circuits opérant à quelques dizaines de MHz. En outre, comme les QAMs sont plus sensibles aux distorsions du canal, il est essentiel de construire des algorithmes plus robustes et des estimateurs plus précis que ceux déjà proposés pour les modulations de phase. Nos algorithmes sont testés à travers des simulations d'un système POLMUX-16QAM et validés par un traitement offline des mesures expérimentales réalisées à HHI, Berlin dans le cadre du projet EURO-FOS

Nous considérons dans cette thèse le problème de la transmission fiable de données par paquets en utilisant une transmission mono-porteuse sur des canaux sélectifs en fréquence à évanouissements. Notre objectif est de concevoir des couples émetteurs-récepteurs permettant d'améliorer les performances de la détection en l'absence d'information sur le canal à la transmission et ceci en exploitant la diversité temporelle disponible dans le cadre des protocoles de retransmission hybrides (HARQ). En analysant les performances du système de transmission avec un récepteur à maximum de vraisemblance, nous établissons un critère pertinent pour l'étude des performances du système basé sur les statistiques de la distance Euclidienne à la sortie du canal sélectif en fréquence. A partir de ce cadre théorique, nous proposons un nouveau schéma de diversité entre les différentes retransmissions, nommé précodage de phase, qui permet de combattre l'interférence entre symboles pour les canaux lentement variables dans le temps. Puis, à l'aide de nos outils d'analyse, nous revisitons un autre schéma de diversité qu'est la diversité d'entrelacement. En particulier, nous soulignons le double avantage offert par ce schéma, à savoir la diversité de modulation et la réduction de l'interférence entre symboles. Nous réalisons ensuite une étude comparative entre les deux schémas de diversité précédents sous traitement itératif ou non itératif au récepteur. Enfin, nous introduisons un nouveau protocole de retransmission adaptative pour les transmissions dîtes multi-couches afin de réduire l'interférence entre couches pour les canaux rapidement variant dans le temps utilisant des informations de retour limitées.

Les standards « Long-term evolution » (LTE) et LTE-Advanced (LTE-A) devraient influencer fortement l’avenir de la cinquième génération (5G) des réseaux mobiles. Ces normes exigent de hauts débits de données et une qualité de service de très bon niveau, ce qui permet d’assurer un faible taux d’erreur, avec une faible latence. Par ailleurs, la complexité doit être limitée. Dans le but de déterminer des solutions technologiques modernes qui satisfont ces contraintes fortes, nous étudions dans la thèse des systèmes de communication sans fil MIMO codés. D’abord, nous imposons un simple code convolutif récursif systématique (RSC) pour limiter la complexité et la latence. En considérant des récepteurs itératifs, nous optimisons alors la performance en termes de taux d’erreur de ces systèmes en définissant un précodage linéaire MIMO et des techniques de mapping appropriées. Dans la deuxième partie de la thèse, nous remplaçons le RSC par un LDPC non-binaire (NB-LDPC). Nous proposons d’utiliser les techniques de précodage MIMO afin de réduire la complexité des récepteurs des systèmes MIMO intégrant des codes NB-LDPC. Enfin, nous proposons également un nouvel algorithme de décodage itératif à faible complexité adapté aux codes NB-LDPC. / The long-term evolution (LTE) and the LTE-Advanced (LTE-A) standardizations are predicted to play essential roles in the future fifth-generation (5G) mobile networks. These standardizations require high data rate and high quality of service, which assures low error-rate and low latency. Besides, as discussed in the recent surveys, low complexity communication systems are also essential in the next 5G mobile networks. To adapt to the modern trend of technology, in this PhD thesis, we investigate the multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication schemes. In the first part of this thesis, low-complex forward error correction (FEC) codes are used for low complexity and latency. By considering iterative receivers at the receiver side, we exploit MIMO linear precoding and mapping methods to optimize the error-rate performance of these systems. In the second part of this thesis, non-binary low density parity check (NB-LDPC) codes are investigated. We propose to use MIMO precoders to reduce the complexity for NB-LDPC encoded MIMO systems. A novel low complexity decoding algorithm for NB-LDPC codes is also proposed at the end of this thesis.

Les futures applications de radio cognitive requièrent des systèmes de numérisation capables de convertir alternativement ou simultanément soit une bande très large avec une faible résolution soit une bande plus étroite avec une meilleure résolution, ceci de manière versatile (i.e. par contrôle logiciel). Pour cela, les systèmes de numérisation basés sur les Bancs de Filtres Hybrides (BFH) sont une solution attractive. Ils se composent d'un banc de filtres analogiques, un banc de convertisseurs analogique-numérique et un banc de filtres numériques. Cependant, ils sont très sensibles aux imperfections analogiques. L'objectif de cette thèse était de proposer et d’étudier une méthode de calibration qui permette de corriger les erreurs analogiques dans la partie numérique. De plus, la méthode devait être implémentable dans un système embarqué. Ce travail a abouti à une nouvelle méthode de calibration de BFH utilisant une technique d'Égalisation Adaptative Multi-Voies (EAMV) qui ajuste les coefficients des filtres numériques par rapport aux filtres analogiques réels. Cette méthode requiert d'injecter un signal de test connu à l'entrée du BFH et d'adapter la partie numérique afin de reconstruire le signal de référence correspondant. Selon le type de reconstruction souhaité (d’une large-bande, d’une sous-bande ou d’une bande étroite particulière), nous avons proposé plusieurs signaux de test et de référence. Ces signaux ont été validés en calculant les filtres numériques optimaux par la méthode de Wiener-Hopf et en évaluant leurs performances de ces derniers dans le domaine fréquentiel. Afin d’approcher les filtres numériques optimaux avec une complexité calculatoire minimum, nous avons implémenté un algorithme du gradient stochastique. La robustesse de la méthode a été évaluée en présence de bruit dans la partie analogique et de en tenant compte de la quantification dans la partie numérique. Un signal de test plus robuste au bruit analogique a été proposé. Les nombres de bits nécessaires pour coder les différentes données dans la partie numérique ont été dimensionnés pour atteindre les performances visées (à savoir 14 bits de résolution). Ce travail de thèse a permis d'avancer vers la réalisation des futurs systèmes de numérisation basés sur les BFH. / The future applications of cognitive radio require digitization systems being capable to perform a flexible conversion in terms of bandwidth and Resolution. The digitization systems based on Hybrid Filter Bancs (HFB) provide an attractive solution for achieving this purpose. The HFBs consist of a bank of analog filters, a bank of analog/digital converters and a bank of digital filters. However, they are so sensitive that the presence of analog errors renders them impossible to carry out. Therefore, the goal of the thesis was to propose and study a calibration method for the analog errors to be corrected in the digital part. Furthermore, the proposed method had to be implementable in an embedded system. Based on Multichannel Adaptive Equalization (MCAE), we proposed a new calibration method. The digital filter coefficients are adjusted according to the real analog filters. To perform this calibration process, a known test signal is injected into the HFB which output is compared to a linked desired signal, their difference is used to adjust the digital part iteratively until the goal is achieved. For different reconstruction goals (wideband, subband or a particular narrow band), we proposed two ways to generate the test and desired signals. With the filters achieved by using method Wiener-Hopf, these signals have been validated by the evaluation of the reconstruction performances. In order to approach the optimal coefficients with a minimal computational complexity, we have implemented an algorithm of stochastic gradient. The robustness of the MCAE method has been studied both in presence of the thermal noise in the analog part and in presence of quantization errors in the digital part. A more robust test signal against the analog noise has been proposed. According to our analytical expressions, for the reconstruction goal (i.e. resolution of 14 bits), the numbers of bits needed for coding the different data of the digital part can be indicated. This thesis is a step forward for realizing future digitization systems based on HFBs.

L’amplification optique large bande à base de SOA est devenue indispensable pour la montée en débit des systèmes de transmissions optiques et pour pouvoir exploiter au mieux la bande optique des fibres optiques. Ce travail présente une étude théorique et expérimentale d’un SOA large bande passante développé par Alcatel Thales III-V Lab dans le cadre des projets ANR AROME et UltraWIDE. Dans cette thèse, nous avons d’abord effectué une modélisation semi-phénoménologique du gain matériau et du coefficient de gain d’une structure à base de multi-puits quantiques avec un nombre réduit de paramètres. L’intégration de notre modèle dans un modèle de SOA déjà développé au laboratoire a montré son efficacité pour restituer quantitativement le comportement statiques (gain, facteur de bruit) des nouvelles structures SOA large bande sur une large plage de longueurs d’onde (> 110 nm), de courants d’alimentation et de puissances optiques. A l’aide de ce modèle, nous avons étudié l’influence de la structure du SOA sur la bande passante pour un gain cible en jouant sur la longueur, le nombre d’électrode et le courant d’alimentation du SOA. Nous avons mis en évidence qu’une structure bi-électrodes n’apportait pas d’amélioration de la bande passante optimisée par rapport au cas mono-électrode. En revanche, la structure bi-électrode permet d’optimiser la puissance de saturation et le facteur de bruit du SOA, sans sacrifier ni le gain maximal ni la bande passante optique. Nous avons aussi montré que, pour ce type de composants, une augmentation de la puissance optique injectée pouvait être compensée par une augmentation du courant d’alimentation pour maintenir une large bande passante optique. Nous avons également mis en place deux techniques d’élargissement de la bande passante optique de SOA à large bande. La première technique est fondée sur le filtrage en réflexion spectralement sélectif (ESOA). Le dispositif expérimental a permis d’amplifier simultanément 8 canaux CWDM dans une bande passante (définie à −1 dB) de 140 nm. La deuxième technique, basée sur un amplificateur hybride Raman-SOA, a fourni une bande passante optique (définie à −1 dB) de 89 nm avec un gain de 17 dB. Nous avons ainsi pu réaliser une transmission simultanée de 5 canaux CWDM allant jusqu’à 10 Gb/s sur 100 km. / SOA-based optical amplification became crucial for increasing optical system capacity and to benefit from the broad bandwidth of optical fibers. In this work we present both theoretical and experimental studies for a new broadband SOA developed by Alcatel Thales III-V lab in the framework of AROME and UltraWIDE ANR projects.We developed firstly a semi-phenomenological model for both the material gain and the gain coefficient of a multi-quantum well -based SOA structure with a reduced set of parameters. This material gain model has been integrated in an existing SOA model and proved its performance in reproducing steady state behavior of this new broadband SOA (gain and noise figure) for a wide range of wavelengths, input powers and bias currents. Thanks to this model, we studied the influence of the SOA geometrical structure on the optical bandwidth for a given target gain, by varying length, number of electrodes and bias current. We showed that two-electrode SOA structures do not provide any improvement of the bandwidth compared to the one-electrode case. However, the two-electrode structure allows the optimization of both the SOA saturation power and the noise figure, without sacrificing neither the maximum gain nor the optical bandwidth. We have also shown that for this kind of component, an increase in the injected optical power could be compensated by an increase in the supply current to maintain a wide optical bandwidth.We have also investigated two techniques to widen the optical bandwidth of our broadband SOA. The first one is based on a modification of the SOA structure by introducing a selective reflection filter (ESOA). Its experimental implementation allowed the amplification of an 8-CWDM-channel comb in a bandwidth (defined at -1 dB) of 140 nm. The second one, based on a hybrid Raman-SOA amplifier, provided an optical bandwidth (defined at -1 dB) of 89 nm with a gain of 17 dB. With this last technique, we were able to achieve a 5-CWDM-channel comb transmission up to 10 Gb/s over 100 km.

Les futures applications de radio cognitive requièrent des systèmes de numérisation capables de convertir alternativement ou simultanément soit une bande très large avec une faible résolution soit une bande plus étroite avec une meilleure résolution, ceci de manière versatile (i.e. par contrôle logiciel). Pour cela, les systèmes de numérisation basés sur les Bancs de Filtres Hybrides (BFH) sont une solution attractive. Ils se composent d'un banc de filtres analogiques, un banc de convertisseurs analogique-numérique et un banc de filtres numériques. Cependant, ils sont très sensibles aux imperfections analogiques. L'objectif de cette thèse était de proposer et d'étudier une méthode de calibration qui permette de corriger les erreurs analogiques dans la partie numérique. De plus, la méthode devait être implémentable dans un système embarqué. Ce travail a abouti à une nouvelle méthode de calibration de BFH utilisant une technique d'Égalisation Adaptative Multi-Voies (EAMV) qui ajuste les coefficients des filtres numériques par rapport aux filtres analogiques réels. Cette méthode requiert d'injecter un signal de test connu à l'entrée du BFH et d'adapter la partie numérique afin de reconstruire le signal de référence correspondant. Selon le type de reconstruction souhaité (d'une large-bande, d'une sous-bande ou d'une bande étroite particulière), nous avons proposé plusieurs signaux de test et de référence. Ces signaux ont été validés en calculant les filtres numériques optimaux par la méthode de Wiener-Hopf et en évaluant leurs performances de ces derniers dans le domaine fréquentiel. Afin d'approcher les filtres numériques optimaux avec une complexité calculatoire minimum, nous avons implémenté un algorithme du gradient stochastique. La robustesse de la méthode a été évaluée en présence de bruit dans la partie analogique et de en tenant compte de la quantification dans la partie numérique. Un signal de test plus robuste au bruit analogique a été proposé. Les nombres de bits nécessaires pour coder les différentes données dans la partie numérique ont été dimensionnés pour atteindre les performances visées (à savoir 14 bits de résolution). Ce travail de thèse a permis d'avancer vers la réalisation des futurs systèmes de numérisation basés sur les BFH.

De nombreuses applications de communications numériques font face à des canaux de transmission sélectifs en temps et en fréquence que nous pouvons assimiler à des systèmes linéaires variants dans le temps. À travers ces travaux de thèse, nous montrons que les modulations multiporteuses suréchantillonnées constituent une technique de transmission adaptée à ce type d'environnement. Cependant, la complexité algorithmique des émetteurs-récepteurs présente un frein majeur à leur adoption. Fort de ce constat, nous nous intéressons à la sous-famille des modulations multiporteuses suréchantillonnées à filtres courts (WCP-OFDM), dont la complexité algorithmique est comparable à celle de l'OFDM avec préfixe cyclique. Après avoir exprimé les conditions de reconstruction parfaite, nous développons des égaliseurs de faible complexité et étudions la problématique du rapport de puissance crête sur puissance moyenne du signal en sortie d'émetteur. Enfin, nous analysons les performances de ces modulations à travers plusieurs scénarios de propagation radiomobile. Les résultats de simulation confirment l'intérêt du WCP-OFDM, associé à des filtres prototypes bien localisés en temps et en fréquence pour faire face aux canaux doublement sélectifs.

Les communications optiques dans le spectre visible (VLC pour Visible-Light Communications) ont attiré une attention particulière depuis quelques années en tant qu'une solution prometteuse pour les réseaux sans fil à très haut-débit dans les milieux intra-bâtiment. Ainsi, cette technique exploite l'infrastructure d’éclairage basée sur les diodes électroluminescentes (LED) pour la transmission de l'information. Pour cette raison, elle offre de nombreux avantages, comparée aux techniques « classiques » basées sur les transmissions radiofréquences (RF), tels que l'existence d'une grande largeur de bande non réglementée, une sécurité de transmission intrinsèque et une immunité aux interférences électromagnétiques.Les principales contraintes liées à l'établissement d'une transmission VLC à très haut-débit dans ce contexte sont la propagation en trajets multiples et les caractéristiques non-idéales des LEDs commerciales, dites « blanches ». L'objectif de cette thèse est d'étudier l'impact réel de ces contraintes sur la transmission des données et de proposer des solutions efficaces de traitement du signal pour atténuer leurs effets. Nous commençons par étudier la réponse impulsionnelle du canal VLC grâce à l'élaboration d'un outil de simulation efficace. Nous évaluons ensuite la sélectivité en fréquence du canal de propagation en considérant différents critères, tels que la réponse fréquentielle, l'étalement temporelle du canal et le rapport signal à interférences. Dans un deuxième temps, compte tenu de la possibilité de la sélectivité en fréquence du canal et aussi la limitation de la bande passante des LEDs, nous étudions la pertinence de l'emploi de différentes techniques de transmission de signaux, notamment celle de l'OFDM optique (pour Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) afin de garantir des débits de transmission compétitifs avec la RF. Etant donné le facteur de crête ou PAPR (pour Peak-to-Average Power Ratio) élevé des signaux modulés en OFDM et la dynamique limitée des LEDs, nous proposons ensuite un nouveau schéma de transmission basé sur la modulation CAP (pour Carrier-less Amplitude and Phase) en plus de l'égalisation dans le domaine fréquentiel (FDE pour Frequency-Domain Equalization) au niveau du récepteur. Nous analysons les performances des liaisons VLC utilisant cette technique et les comparons à l'OFDM optique, en prenant particulièrement en compte la non-linéarité des LEDs. Enfin, nous démontrons l'intérêt de l'utilisation du schéma de transmission CAP-FDE à travers des résultats expérimentaux. / Visible Light Communications (VLC) have attracted particular attention in the research community since a few years as a promising solution for high-speed indoor wireless networks. By exploiting the existing solid-state light-emitting diode (LED) lighting infrastructure, VLC offer numerous advantages such as a large unlicensed bandwidth, transmission security, and immunity to electro-magnetic interference compared to their radiofrequency counterparts. Within the context of indoor VLC, the multipath propagation channel and the non-ideal characteristics of the commercial white LEDs cause the main limitations for achieving high data-rate transmission. The objective of this thesis is to investigate the true impact of these limitations on the data transmission and to propose efficient signal processing solutions to mitigate their adverse effects. We start by the study of the indoor VLC channel impulse response by developing an efficient simulation tool. We then consider evaluating the channel frequency selectivity through different metrics. Next, given the potentially frequency-selective channel and the limited modulation bandwidth of the LEDs, we investigate the suitability of employing different signal transmission techniques including optical orthogonal frequency-division multiplexing (O-OFDM) in order to achieve high data-rate transmission. Given the high peak-to-average power ratio (PAPR) of O-OFDM signals and the limited dynamic range of the LEDs, we then propose a novel transmission scheme, which consists of using carrier-less amplitude and phase (CAP) modulation together with frequency domain equalization (FDE) at the receiver. We analyze the performance of the VLC link using this technique and compare it with the O-OFDM schemes, especially by taking the non-linear characteristics of the LED into account. Lastly, we demonstrate the merits of using the CAP-FDE transmission scheme via some experimental results.

Ce rapport résume mes activités de recherche depuis l'obtention de mon doctorat. Je me suis penché sur le problème fondamental de l'estimation de signaux sources à partir de l'observation de mesures corrompues de ces signaux, dans des scénarios où les données mesurées peuvent être considérées comme une transformation linéaire inconnue des sources. Deux problèmes classiques de ce type sont la déconvolution ou égalisation de canaux introduisant des distorsions linéaires, et la séparation de sources dans des mélanges linéaires. L'approche dite aveugle essaie d'exploiter un moindre nombre d'hypothèses sur le problème à résoudre : celles-ci se réduisent typiquement à l'indépendance statistique des sources et l'inversibilité du canal ou de la matrice de mélange caractérisant le milieu de propagation. Malgré les avantages qui ont suscité l'intérêt pour ces techniques depuis les années soixante-dix, les critères aveugles présentent aussi quelques inconvénients importants, tels que l'existence d'ambiguïtés dans l'estimation, la présence d'extrema locaux associés à des solutions parasites, et un coût de calcul élevé souvent lié à une convergence lente. Ma recherche s'est consacrée à la conception de nouvelles techniques d'estimation de signal visant à pallier aux inconvénients de l'approche aveugle et donc à améliorer ses performances. Une attention particulière a été portée sur deux applications dans les télécommunications et le génie biomédical : l'égalisation et la séparation de sources dans des canaux de communications numériques, et l'extraction de l'activité auriculaire à partir des enregistrements de surface chez les patients souffrant de fibrillation auriculaire. La plupart des techniques proposées peuvent être considérées comme étant semi-aveugles, dans le sens où elles visent à exploiter des informations a priori sur le problème étudié autres que l'indépendance des sources ; par exemple, l'existence de symboles pilotes dans les systèmes de communications ou des propriétés spécifiques de la source atriale dans la fibrillation auriculaire. Dans les télécommunications, les approches que j'ai explorées incluent des solutions algébriques aux fonctions de contraste basées sur la modulation numérique, la combinaison de contrastes aveugles et supervisés dans des critères semi-aveugles, et une technique d'optimisation itérative basée sur un pas d'adaptation calculé algébriquement. Nos efforts visant à extraire le signal atrial dans des enregistrements de fibrillation auriculaire nous ont permis non seulement de dégager de nouvelles fonctions de contraste basées sur les statistiques de second ordre et d'ordre élevé incorporant l'information a priori sur les statistiques des sources, mais aussi d'aboutir à de nouveaux résultats d'impact clinique et physiologique sur ce trouble cardiaque encore mal compris. Ce rapport se conclut en proposant quelques perspectives pour la continuation de ces travaux. Ces recherches ont été menées en collaboration avec un nombre de collègues en France et à l'étranger, et ont également compris le co-encadrement de plusieurs doctorants. Les contributions qui en ont découlé ont donné lieu à plus de soixante publications dans des journaux, des conférences et des ouvrages collectifs à caractère international. Quelques-unes de ces publications sont jointes à ce document.