Cette thèse a été préparée à l'IMT atlantique dans le contexte du projet FITNESS. Ce projet Européen vise à moderniser les radios PMR (Professional Mobile Radio), utilisées par les services de sûretés. L'objectif est de développer un nouveau récepteur compatible avec les 4 normes européennes, tout en ajoutant de nouvelles fonctionnalités. Les contributions de cette thèse à FITNESS concernent la rétrocompatibilité du nouveau récepteur avec les standards actuels. Un filtre de sélection de canal de fréquence centrale reconfigurable a été utilisé pour gérer cette interopérabilité. Toutefois on notera que sa bande passante est trop large et que plusieurs canaux de communications insuffisamment atténués serons présents au niveau des convertisseurs. Pour relâcher les contraintes de linéarité et les marges de numérisation, nous proposons de rendre le récepteur conscient de son environnement spectral.L'intérêt de cette méthode a été développé dans une première partie de la thèse. Une méthode de détection aveugle basée sur les propriétés cyclostationnaires du signal de communication a été proposée. Nous utilisons ensuite cet outil pour détecter la présence d'harmoniques indésirables créés lors d'un fonctionnement en régime non linéaire du récepteur. Nous montrons qu'il est ainsi possible de détecter très tôt le mode de fonctionnement du récepteur. Enfin, basé sur les deux études précédentes nous proposons une méthode permettant d'adapter automatiquement les paramètres de la chaine analogique. Cette preuve de concept basé sur une boucle de rétroaction permet une amélioration significative du taux d'erreur binaire tout en relâchant les contraintes au niveau analogique. / This thesis was prepared at IMT Atlantique, in the context of the FITNESS project. This European project aims to modernize PMR (Professional Mobile Radio) radios, used by security services. The objective is to develop a new receiver compatible with the 4 European standards, while adding new features. The contributions of this thesis to FITNESS concern the backwards compatibility of the new receiver with current standards. A reconfigurable central frequency channel selection filter was used to manage this interoperability. However, it should be noted that its bandwidth is too large and that several insufficiently attenuated communication channels are present at the A/D converters input. To relax linearity constraints and digitization margins, we propose to make the receiver aware of its spectral environment.The interest of this method has been developed in a first part of this document. A method for blind detection based on the cyclostationary properties of the communication signal has been proposed. We then use this tool to detect the presence of unwanted harmonics created during non-linear operation of the receiver. We show that it is possible to detect the operating mode of the receiver before the useful signal degradation. Finally, based on the two previous studies, we propose a method to automatically adapt the parameters of the analog receiver. This proof of concept based on a feedback loop allows a significant improvement in the bit error rate while relaxing constraints at the analog level.

ITC/USA 2008 Conference Proceedings / The Forty-Fourth Annual International Telemetering Conference and Technical Exhibition / October 27-30, 2008 / Town and Country Resort & Convention Center, San Diego, California / Although multiple-input multiple-output (MIMO) systems have become increasingly popular, the existence of real time results to compare with those predicted by theory is still surprisingly limited. In this work the hardware description of a MIMO wireless communication system using orthogonal space time block codes (OSTBC) is discussed for two antennas at both the transmitter and receiver. A numerical example for a frequency flat time correlated channel is given to show the impact of channel estimation.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de NÃvel Superior / Em diversas aplicaÃÃes do processamento de sinais em sistemas de comunicaÃÃo sem-fio, o sinal recebido à de natureza multidimensional, possuindo uma estrutura algÃbrica multilinear. Neste contexto, a decomposiÃÃo tensorial PARAFAC tem sido utilizada em vÃrios trabalhos ao longo dos Ãltimos seis anos. Observa-se, entretanto, que decomposiÃÃes tensoriais generalizadas sÃo necessÃrias para modelar uma classe mais ampla de sistemas de comunicaÃÃo, caracterizada pela presenÃa de estruturas de transmissÃo mais complexas, por modelos de canal mais realistas, e por tÃcnicas de processamento de sinais mais eficientes no receptor. Esta tese investiga novas abordagens tensorias e suas aplicaÃÃes em modelagem de sistemas MIMO, equalizaÃÃo, separaÃÃo de sinais e estimaÃÃo paramÃtrica de canal. Inicialmente, duas novas decomposiÃÃes tensoriais (PARAFAC em blocos com restriÃÃes e CONFAC) sÃo desenvolvidas e estudadas em termos de identificabilidade. Em uma segunda parte do trabalho, novas aplicaÃÃes destas decomposiÃÃes tensoriais sÃo propostas. A decomposiÃÃo PARAFAC em blocos com restriÃÃes à aplicada, primeiramente, Âa modelagem unificada de sistemassuperamostrados, DS-CDMA e OFDM, com aplicaÃÃo em equalizaÃÃo multiusuÃria. Em seguida, esta decomposiÃÃo à utilizada na modelagem de sistemas de transmissÃo MIMO com espalhamento espaÃo-temporal e detecÃÃo conjunta. Em seguida, a decomposiÃÃo CONFAC à explorada na concepÃÃo de uma nova arquitetura generalizada de transmissÃo MIMO/CDMA que combina diversidade e multiplexagem. As propriedades de unicidade desta decomposiÃÃo permitem o uso do processamento nÃo-supervisionado no receptor, visando a reconstruÃÃo dos sinais transmitidos e a estimaÃÃo do canal. Na terceira e Ãltima parte deste trabalho, explora-se a decomposiÃÃo PARAFAC no contexto de duas aplicaÃÃes diferentes. Na primeira, uma nova estrutura de transmissÃo espaÃo-temporal-freqÃencial à proposta para sistemas MIMO multiportadora. A segunda aplicaÃÃo consiste em um novo estimador paramÃtrico para canais multipercursos. / In several signal processing applications for wireless communications, the received signal is multidimensional in nature and may exhibit a multilinear algebraic structure. In this context, the PARAFAC tensor decomposition has been the subject of several works in the past six years. However, generalized tensor decompositions are necessary for covering a wider class of wireless communication systems with more complex transmission structures, more realistic channel models and more efficient receiver signal processing. This thesis investigates tensor modeling approaches for multiple-antenna systems, channel equalization, signal separation and parametric channel estimation. New tensor decompositions, namely, the block-constrained PARAFAC and CONFAC decompositions, are developed and studied in terms of identifiability. First, the block-constrained PARAFAC decomposition is applied for a uniÂed tensor modeling of oversampled, DS-CDMA and OFDM systems with application to blind multiuser equalization. This decomposition is also used for modeling multiple-antenna (MIMO) transmission systems with block space-time spreading and blind detection, which generalizes previous tensor-based MIMO transmission models. The CONFAC decomposition is then exploited for designing new MIMO-CDMA transmission schemes combining spatial diversity and multiplexing. Blind symbol/code/channel recovery is discussed from the uniqueness properties of this decomposition. This thesis also studies new applications of third-order PARAFAC decomposition. A new space-time-frequency spreading system is proposed for multicarrier multiple-access systems, where this decomposition is used as a joint spreading and multiplexing tool at the transmitter using tridimensional spreading code with trilinear structure. Finally, we present a PARAFAC modeling approach for the parametric estimation of SIMO and MIMO multipath wireless channels with time-varying structure.

Η αντιστοίχιση εικόνων έχει σαν σκοπό την εύρεση γεωμετρικών και άλλων διαφορών ανάμεσα σε δύο ή περισσότερες εικόνες. Η ψηφιακή υδατογράφηση εικόνων προσφέρει κατοχύρωση των πνευματικών δικαιωμάτων, εισάγοντας στις εικόνες ένα αδιόρατο σήμα, ένα υδατογράφημα, με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι δύσκολο να αφαιρεθεί. Η αντιστοίχιση μπορεί να αποτελέσει τμήμα της ψηφιακής υδατογράφησης, στη φάση της ανίχνευσης του υδατογραφήματος. Επιπλέον, για την ανίχνευση του υδατογραφήματος χρησιμοποιούνται παρόμοιες ή και ίδιες μετρικές ομοιότητας με αυτές που χρησιμοποιούνται στην αντιστοίχιση. Έτσι, οποιαδήποτε βελτίωση αφορά την αντιστοίχιση ή τις μετρικές ομοιότητας μπορεί να έχει θετικές επιδράσεις και στην ψηφιακή υδατογράφηση. Η έρευνα που έγινε στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής σε σχέση με το πρόβλημα της αντιστοίχισης αφορά τη συσχέτιση των εικόνων στο χωρικό πεδίο, η οποία έχει το εξής μειονέκτημα: η περιοχή γύρω από τη μέγιστη τιμή της μπορεί να έχει μεγάλο εύρος και να επηρεάζει την ακρίβεια της αντιστοίχισης. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, προτείνεται μια διαδικασία προ-λεύκανσης των εικόνων, βασισμένη στο φίλτρο σφάλματος πρόβλεψης. Επίσης, αναπτύσσεται ένας επαναληπτικός αλγόριθμος αντιστοίχισης για μετατοπίσεις και περιστροφές, ο οποίος εφαρμόζεται σε ακολουθίες ιατρικών εικόνων με σκοπό τη διάγνωση δυσπλασιών και κακοηθειών. Ένα δεύτερο μειονέκτημα της χωρικής συσχέτισης είναι το μεγάλο υπολογιστικό της κόστος. Στη διδακτορική διατριβή προτείνεται ένα γρήγορο σχήμα υπολογισμού της, το οποίο βασίζεται σε κατάλληλη τμηματοποίηση της εικόνας και στη χρήση του μετασχηματισμού Fourier. Επίσης, το πιο απαιτητικό κομμάτι της διαδικασίας αντιστοίχισης είναι ο υπολογισμός της χρησιμοποιούμενης μετρικής σαν συνάρτηση της σχετικής θέσης των εικόνων. Έτσι, αναπτύσσεται ένας αποδοτικός επαναληπτικός αλγόριθμος, ο οποίος μειώνει σημαντικά τις αναζητήσεις που απαιτούνται για την εύρεση του μεγίστου του συντελεστή συσχέτισης και παρέχει ακρίβεια εικονοστοιχείου. Τέλος, προτείνεται μια τεχνική η οποία παρέχει ακρίβεια υποδιαίρεσης εικονοστοιχείου και βασίζεται στη μεγιστοποίηση του συντελεστή συσχέτισης. Η τεχνική αυτή δεν απαιτεί ανακατασκευή των τιμών της έντασης και παρέχει μια λύση κλειστού τύπου για την εκτίμηση της μετατόπισης. Όσο αφορά το πρόβλημα της υδατογράφησης, η έρευνα που έγινε στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής στοχεύει στην ένθεση ισχυρών υδατογραφημάτων στο χωρικό πεδίο και στη βελτίωση της ανίχνευσής τους. Καταρχήν, προτείνεται μια χωρική αντιληπτική μάσκα, η οποία βασίζεται στην τοπική διασπορά του σφάλματος πρόβλεψης της αρχικής εικόνας. Παράλληλα, αναπτύσσεται ένα «τυφλό» σύστημα ανίχνευσης και η βελτιωμένη απόδοσή του σε σχέση με υπάρχοντες ανιχνευτές αποδεικνύεται θεωρητικά για τη γενική περίπτωση επίθεσης με γραμμικό φίλτρο και θόρυβο. Στη συνέχεια, παράγεται μια νέα χωρική μάσκα η οποία επιτρέπει την ένθεση υδατογραφημάτων με εξαιρετικά μεγάλη ενέργεια, διατηρώντας ταυτόχρονα την ποιότητα της εικόνας σε πολύ καλό επίπεδο. Η απόδοσή της συγκρίνεται με πολύ γνωστές και ευρέως χρησιμοποιούμενες μάσκες και αποδεικνύεται σημαντικά καλύτερη. Επίσης, αναπτύσσεται ένα βελτιωμένο σχήμα ανίχνευσης, το οποίο σε συνδυασμό με την προτεινόμενη μάσκα έχει πολύ καλή απόδοση. Τέλος, προτείνεται μια μέθοδος εισαγωγής υδατογραφήματος στην εικόνα με πολλαπλασιαστικό τρόπο, χρησιμοποιώντας χωρο-χρονική κωδικοποίηση μπλοκ και ειδικότερα μια 4x4 πραγματική, ορθογώνια διάταξη συμβόλων. Το σχήμα αυτό αποδεικνύεται να έχει πολύ καλύτερη απόδοση σε σχέση με την επαναληπτική υδατογράφηση. / Image registration aims at finding geometrical or other differences between two or more images. Image watermarking offers copyright protection by embedding in the images an invisible signal, a watermark, in such a way that it is difficult to be removed. Image registration can be part of a watermark detector. Moreover, similar (or the same) similarity measures are used for both image registration and watermark detection. Thus, any improvement concerning the image registration or the similarity measures can have positive effects on image watermarking, too. Our research concerning the image registration problem deals with the spatial cross-correlation, which has the following drawback: the region around its maximum value can be rather wide, affecting the registration accuracy. This problem can be solved, by properly pre-whitening the images with the prediction error filter. Furthermore, an iterative algorithm is proposed for registering images with translation and rotation differences, which is then applied in sequences of medical images for cancer diagnosis. A second disadvantage of the spatial correlation is its computational cost. A fast computation scheme is proposed, based on a proper partitioning of the images and the Fourier transform. Also, the most computationally intensive part of a registration process is the evaluation of the involved measure for different relative image positions. Thus, an efficient iterative algorithm is developed that considerably reduces the number of searches required for finding the correlation coefficient maximum value and provides pixel accuracy. Finally, an image registration technique with subpixel accuracy is proposed, which is based on the correlation coefficient maximization. This technique does not require the reconstruction of the intensity values and provides a closed form solution to the subpixel translation estimation problem. As far as the problem of image watermarking is concerned, our research aims at embedding robust watermarks in spatial domain and improving their detection. First, a spatial perceptual mask is proposed, based on the local variance of the initial image prediction error. A blind detector is also developed, which performs better than the existing ones. This is theoretically proved for the general attack case with linear filter and noise. Furthermore, a new spatial perceptual mask is proposed that allows for a significantly increased strength of the watermark, while at the same time the image quality remains very good. Its performance is compared to known and widely used masks and is proved to be much better. Moreover, an improved detector is developed, which, combined with the new mask, performs very well. Finally, a new multiplicative watermark embedding is proposed, which uses space-time block coding (specifically a 4x4 real orthogonal design). This scheme is proved to perform much better than the repetitive watermarking.