In the context of broadband wireless communications using code division multiple access (CDMA), the main multiple access (MA) options include single-carrier direct sequence CDMA (SC-DS-CDMA) using time-domain direct sequence spreading [1, p. 728], multicarrier CDMA (MC-CDMA) using frequency-domain spreading [2, 3] and multicarrier DS-CDMA (MC-DS-CDMA) using time-domain direct sequence spreading of the individual sub-carrier signals [4, 5]. It was shown in [6] that MC-DS-CDMA has the highest degrees of freedom in the family of CDMA schemes that can be beneficially exploited during the system design and reconfiguration procedures. An amalgam of MC-CDMA and MC-DS-CDMA known as time and frequency domain spreading (TF-domain spreading) MC-DS-CDMA was proposed in [6]. TF-domain spreading MC-DS-CDMA has several benefits over conventional MC-DS-CDMA with regard to both capacity and performance [7]. However, in contrast to conventional MC-DS-CDMA, TF-domain spreading MC-DS-CDMA introduces MUI, which necessitates the use of joint detection at the receiver. Recently, multiple input multiple output (MIMO) or multi-antenna TF-domain spreading MC-DS-CDMA schemes have been proposed in the literature that e ciently exploit both the spatial and frequency diversity available in MIMO frequency-selective channels [8, 9]. Although an extensive amount of research has been done on single and multi-antenna TF-domain spreading MC-DS-CDMA schemes that achieve both spatial and frequency diversity in frequency-selective slow fading channels [6–9], very little research considers the time-selectivity of the wireless channels encountered. Thus, the above-mentioned schemes may not be su ciently e cient, when communicating over wireless channels exhibiting both frequency-selective and time-selective fading. There are very few MC-DS-CDMA schemes in the literature that consider the time-selectivity of the wireless channels encountered. This study considers the design of single and multi-antenna TF-domain spreading MC-DS-CDMA, for frequency-selective block-fading channels, which are capable of exploiting the full diversity available in the channel (i.e. spatial, frequency and temporal diversity), using various methods of joint detection at the receiver. It has been shown that the diversity gain in block-fading channels can be improved by coding across multiple fading blocks [10–12]. Single-antenna TF-domain spreading MC-DS-CDMA is considered for the quasi-synchronous uplink channel, and multi-antenna TF-domain spreading MC-DS-CDMA is considered for the synchronous downlink channel. Numerous simulated bit error rate (BER) performance curves, obtained using a triply selective MIMO channel platform, are presented in this study using optimal and sub-optimal joint detection algorithms at the receiver. In addition, this study investigates the impact of spatial correlation on the BER performance of the MC-DS-CDMA schemes considered. From these simulated results, one is able to conclude that TF-domain spreading MC-DS-CDMA designed for frequency-selective block-fading channels performs better than previously proposed schemes designed for frequency-selective slow fading channels, owing to the additional temporal diversity exploited under the block-fading assumption. AFRIKAANS : In die konteks van bre¨eband- draadlose kommunikasie deur die gebruik van kodeverdelingveelvuldige toegang (KVVT) behels die belangrikste veelvuldigetoegang- (VT) opsies enkel-draer direkte-sekwensie KVVT (ED-DS-KVVT), deur die gebruik van tyd-domein direkte sekwensie-verspreiding [1, p. 728], veelvuldigedraer-KVVT (VD-KVVT) deur die gebruik van frekwensiedomein-verspreiding [2, 3] en VD-DS- KVVT deur die gebruik van tyd-domein direkte sekwensie-verspreiding van die individuele sub-draerseine [4, 5]. Daar is in [6] aangetoon dat VD-DS-KVVT die hoogste vlakke van vryheid in die familie KVVT-skemas het wat voordelig benut kan word gedurende sisteemontwerp en rekonfigurasieprosedures. ’n Amalgaam van VD-KVVT en VD-DS-KVVT bekend as tyd-en-frekwensiedomeinverspreiding (TF-domeinverspreiding) VD-DS-KVVT is voorgestel in [6]. TF-domeinverspreiding VD-DS-KVVT het verskeie voordele bo konvensionele VD-DS-KVVT wat sowel kapasiteit as werkverrigting betref [7]. In teenstelling met konvensionele VD-DS-KVVT benut TF-domeinverspreiding VD-DS-KVVT multi-gebruiker-interferensie, wat die gebruik van gesamentlike opsporing by die ontvanger noodsaak. In die onlangse verlede is in die literatuur veelvuldige-inset-veelvuldige-uitset- (VIVU) of veelvuldige-antenna TF-omeinverspreiding VD-DS-KVVT-skemas voorgestel wat sowel die ruimtelike as frekwensiediversiteit wat in VIVU frekwensie-selektiewe kanale beskikbaar is, e ektief gebruik [8, 9]. Hoewel uitgebreide navorsing onderneem is oor enkel- en multi-antenna TF-domeinverspreiding VD-DS-KVVT-skemas wat sowel ruimtelike as frekwensie diversiteit in frekwensie-selektiewe stadig deinende kanale bereik [6–9], oorweeg baie min navorsing die tyd-selektiwiteit van die draadlose kanale wat betrokke is. Bogenoemde skemas mag dus nie e ektief genoeg wees nie wanneer kommunikasie plaasvind oor draadlose kanale wat sowel frekwensie-selektiewe as tyd-selektiewe wegsterwing toon. Baie min VD-DS-KVVT-skemas in die literatuur skenk aandag aan die tyd-selektiwiteit van die betrokke draadlose kanale. Die studie ondersoek die ontwerp van enkel- en multi-antenna TF-domeinverspreiding VD-DS-KVVT vir frekwensie-selektiewe blokwegsterwingkanale, wat in staat is om die volle diversiteit wat in die kanaal beskikbaar is, te benut (i.e. ruimtelike, frekwensie- en tyddiversiteit), deur die gebruik van verskeie metodes van gesamentlike opsporing by die ontvanger. Daar is aangetoon dat die diversiteitwins in blokwegsterwingkanale verbeter kan word deur kodering oor veelvuldige deinende blokke [10–12]. Enkel-antenna TF-domeinverspreiding VD-DS-KVVT word oorweeg vir die kwasi-sinchroniese opverbinding-kanaal, en multi-antenna TF-domeinverspreiding VD-DS-KVVT vir die sinchroniese afverbinding-kanaal. Talryke gesimuleerde bisfouttempo (BFT) werkverrigtingkurwes wat verkry is deur die gebruik van ’n drie-voudige selektiewe VIVU-kanaalplatform, word in hierdie studie aangebied, deur die gebruik van optimale en sub-optimale gesamentlike opsporingsalgoritmes by die ontvanger. Daarbenewens ondersoek hierdie studie die impak van ruimtelike korrelasie op die BFT-werkverrigring van die VD-DS-KVVT-skemas wat oorweeg word. Uit hierdie gesimuleerde resultate is dit moontlik om tot die gevolgtrekking te kom dat TF-domeinverspreiding VD-DS-KVVT wat ontwerp is vir frekwensie-selektiese blokwegsterwingkanale beter werkverrigting toon as vroe¨er voorgestelde skemas wat ontwerp is vir frekwensie-selektiewe stadig deinende kanale, te danke aan die ekstra tyddiversiteit wat deur die blokwegsterwing-aanname benut word. Copyright / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2010. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / unrestricted

L'optique intégrée est une technique très prometteuse pour une fabrication de masse de circuits optiques pour les télécommunications et/ou l'instrumentation.<br />La technologie sol-gel a déjà démontré son potentiel. Un nouveau matériau sol-gel hybride à polymérisation cationique de type Epoxy a été développé dans le but de la simplification de la synthèse et de l'amélioration des performances en particulier l'adhérence.<br />Ce travail a pour objectif le développement d'un banc d'écriture laser UV dans une couche Epoxy et l'établissement du protocole de fabrication associé. Ce procédé de polymérisation locale est une alternative prometteuse aux techniques lithographiques par masque.<br />Ce nouveau banc utilise un laser pulsé travaillant à faible longueur d'onde pour une meilleure résolution et une meilleure polymérisation.<br />Ce travail a montré la faisabilité de circuits complexes de type multiplexeurs WDM avec un procédé d'inscription à faible coût. Nous avons réalisé les premiers prototypes de circuits dédiés à la sélection multiple de longueurs d'onde pour le (dé)codage du CDMA optique spectral.

Les futurs systèmes de radiocommunications devront proposer des services nécessitant des transferts de données à haut débit, tout en garantissant une grande mobilité aux utilisateurs. Pour y parvenir, de nouvelles techniques de traitement de signal doivent être mises en oeuvre. Une de ces approches constituant actuellement un axe important de la recherche dans ce domaine est la technique MC-CDMA. Cette dernière repose sur la combinaison de deux techniques : les modulations à porteuses multiples et l'étalement de spectre. Les travaux de recherche présentés dans cette thèse ont pour buts l'étude et l'optimisation des systèmes de communications mettant en oeuvre cette technique MC-CDMA.<br /><br />Après une présentation générale des différentes façons de combiner les techniques de modulations à porteuses multiples et d'étalement de spectre, les performances des systèmes MC-CDMA sont présentées sur des canaux de Rayleigh et BRAN dans le cas de détection mono-utilisateur et multi-utilisateur.<br /><br />Puis, l'influence des codes d'étalement sur la variation de la dynamique de l'enveloppe du signal émis, et sur l'interférence produite par la cohabitation des données de plusieurs utilisateurs sur les mêmes ressources fréquentielles et temporelles est étudiée. Pour cela, nous nous sommes intéressés aux variations de l'enveloppe des sisgnaux MC-CDMA à travers l'étude du facteur de crête et du facteur de crête global. Ces quantités permettent d'estimer les fluctuations du signal transmis respectivement en voie montante et descendante. En ce qui concerne la minimisation de l'interférence d'accès multiple, une technique reposant sur l'allocation des séquences d'étalement est décrite et plusieurs critères de sélection des codes d'étalement sont proposés.<br /><br />Enfin, une attention particulière est portée à l'optimisation de la voie montante des systèmes MC-CDMA. Afin d'éviter l'insertion de Nu jeux de sous-porteuses pilotes servant à estimer les Nu canaux de la voie montante, une solution reposant sur le principe de la réciprocité du canal radiomobile est ici proposée. Cette alternative consiste à effectuer une prédistorsion du signal utile dans le terminal avant son émission. Deux variantes sont envisagées, la première repose sur un multiplexage temporel des voies montante et descendante alors que la seconde repose sur un multiplexage fréquentiel de ces deux voies.

Dans plusieurs applications de traitement du signal pour les systèmes de communication sans fil, le signal reçu est de nature multidimensionnelle et possède une structure algébrique multilinéaire. Dans ce contexte, la décomposition tensorielle de type PARAFAC a fait l'objet de plusieurs travaux au cours des six dernières années. Il s'avère que des décompositions tensorielles plus générales sont nécessaires pour couvrir des classes plus larges de systèmes de communication faisant intervenir µa la fois des modèles de transmission et de canal plus complexes et des méthodes de traitement plus efficaces. Cette thèse traite les problèmes de modélisation des systèmes multi-antennes, d'égalisation de canal, de séparation de signaux et d'estimation paramétrique de canal à l'aide d'approches tensorielles. Dans un premier temps, de nouvelles décompositions tensorielles (bloc-PARAFAC avec contraintes et CONFAC) ont été développées et étudiées en termes d'identifiabilité. Dans un deuxième temps, la décomposition bloc-PARAFAC avec contraintes a été appliquée tout d'abord pour mettre en évidence une modélisation tensorielle unifiée des systèmes suréchantillonnées , DS-CDMA et OFDM, avec application à l'égalisation multiutilisateur. Puis, cette décomposition a été utilisée pour modéliser des systèmes de transmission MIMO avec étalement spatio-temporel et détection aveugle. La décomposition CONFAC a ensuite été exploitée pour concevoir un nouveau schéma de transmission MIMO/CDMA combinant diversité et multiplexage spatial. Les propriétés d'unicité de cette décomposition ont permis de réaliser un traitement aveugle au niveau du récepteur pour la reconstruction du canal et des symboles transmis. Un troisième volet du travail concerne l'application de la décomposition PARAFAC pour la conception de nouveaux schéma de transmission spatio-temporel-fréquentiel pour des systèmes MIMO multiporteuses, et pour l'estimation paramétrique de canaux multitrajets. .

Du à la présence de dispositifs non-linéaires comme des amplificateurs de puissance (PAs) et des instruments optiques, les signaux de communication sont parfois corrompus par des distorsions non-linéaires. Dans ce cas, des modèles non-linéaires sont utilisés pour fournir une description précise des signaux, permettant le développement de techniques de traitement du signal capables d'éliminer ou de réduire ces distorsions. Dans ce contexte, le choix du modèle non-linéaire à une importance majeure. Les modèles de Volterra sont depuis longtemps utilisés pour représenter les systèmes de communication en présence de distorsions non-linéaires, ayant des applications dans les systèmes de communication par satellite, les systèmes OFDM et les systèmes radio over fiber (ROF), entre autres. Le principal objectif de cette thèse est de proposer des techniques d'estimation et de récupération d'information dans les systèmes de communication MIMO Volterra. Ce type de modèle MIMO peut être utilisé pour modéliser des canaux de communication avec de multiples antennes à la transmission et à la réception, ainsi que des canaux multi-utilisateurs avec de multiples antennes à réception et une antenne de transmission par utilisateur. Les techniques d'estimation et d'égalisation de canaux sont développées pour trois systèmes de communication non-linéaires différents: OFDM, ROF et ROF-CDMA, différents modèles MIMO Volterra étant utilisés selon l'application considérée. Dans le cas des systèmes du type OFDM, un nouveau schéma de transmission qui introduit de la redondance dans les signaux transmis, ainsi que des récepteurs exploitant cette redondance sont proposés. Dans le cas des systèmes TDMA-SDMA, un ensemble de polynômes orthonormaux est développé pour améliorer la vitesse de convergence de l'algorithme LMS pour l'estimation adaptative supervisée d'un système MIMO Volterra. D'autre part, le développement de récepteurs pour des systèmes de communication MIMO Volterra dans un schéma de transmission aveugle est réalisé à l'aide de décompositions tensorielles. Dans ce cas, en exploitant le fait que les modèles de Volterra sont linéaires vis-à-vis de leurs coefficients, des techniques d'estimation et d'égalisation de canaux MIMO Volterra basées sur la décomposition PARAFAC sont développées pour des systèmes de communication TDMA-SDMA et CDMA.

<p>The main topic of this thesis is integer quadratic programming with applications to problems arising in the areas of automatic control and communication. One of the most widespread modern control principles is the discrete-time method Model Predictive Control (MPC). The main advantage with MPC, compared to most other control principles, is that constraints on control signals and states can easily be handled. In each time step, MPC requires the solution of a Quadratic Programming (QP) problem. To be able to use MPC for large systems, and at high sampling rates, optimization routines tailored for MPC are used. In recent years, the range of application of MPC has been extended from constrained linear systems to so-called hybrid systems. Hybrid systems are systems where continuous dynamics interact with logic. When this extension is made, binary variables are introduced in the problem. As a consequence, the QP problem has to be replaced by a far more challenging Mixed Integer Quadratic Programming (MIQP) problem. Generally, for this type of optimization problems, the computational complexity is exponential in the number of binary optimization variables. In modern communication systems, multiple users share a so-called multi-access channel, where the information sent by different users is separated by using almost orthogonal codes. Since the codes are not completely orthogonal, the decoded information at the receiver is slightly correlated between different users. Further, noise is added during the transmission. To estimate the information originally sent, a maximum likelihood problem involving binary variables is solved. The process of simultaneously estimating the information sent by multiple users is called multiuser detection. In this thesis, the problem to efficiently solve MIQP problems originating from MPC is addressed. Two different algorithms are presented. First, a polynomial complexity preprocessing algorithm for binary quadratic programming problems is presented. By using the algorithm, some, or all, binary variables can be computed efficiently already in the preprocessing phase. In simulations, the algorithm is applied to unconstrained MPC problems with a mixture of real and binary control signals. It has also been applied to the multiuser detection problem, where simulations have shown that the bit error rate can be significantly reduced by using the proposed algorithm as compared to using common suboptimal algorithms. Second, an MIQP algorithm tailored for MPC is presented. The algorithm uses a branch and bound method where the relaxed node problems are solved by a dual active set QP algorithm. In this QP algorithm, the KKT-systems are solved using Riccati recursions in order to decrease the computational complexity. Simulation results show that both the QP solver and the MIQP solver proposed have lower computational complexity than corresponding generic solvers.</p> / Report code: LiU-TEK-LIC-2005:71.

The low-voltage power distribution network is considered today as a serious candidate to provide residential customers with a high-speed access to communication services such as Internet. Outdoor Power-Line Communications (PLC) systems represent an alternative to the other classical 'last-mile solutions' such as ADSL, cable modems, or wireless access systems. We developed an accurate powerline channel simulation tool based on the Multiconductor Transmission Line theory. This tool is able to predict the end-to-end channel responses on the basis of the multiconductor cable structure and the network topology. Then the issue of optimal resource allocation in a multiuser environment was addressed in the light of the Multiuser Information Theory. Simultaneously active users are in competition for the limited resources that are the power (constrained by electro-magnetic compatibility restrictions) and the bandwidth (in the range of 1 to 10 MHz for outdoor PLC). The concept of multiuser balanced capacity was introduced to characterize the optimal resource allocation providing the maximum data rates with fairness constraints among the subscribers. The optimal PLC system was shown to require the shaping of the signal spectrum in the transmitters, and successive decoding in the receiver. A generic multiple access scheme based on Filter Banks (FB) was proposed, which offers the required spectral shaping with limited degrees of freedom. Classical multiple-access techniques (TDMA, CDMA, OFDMA) can be obtained by selecting the appropriate FB. The Minimum-Mean-Square-Error Decision-Feedback Joint Detector was shown to approach the performance of the optimal successive decoding receiver. Finally, the robustness of the proposed system against channel estimation and timing synchronization errors was addressed. The problem of multiuser timing synchronization was introduced, and practical multiuser timing error detectors were proposed.

The presented work considers a CDMA-based Wireless Body Area Network (WBAN) where multiple biosensors communicate simultaneously to a central node in an asynchronous fashion. The asynchronous nature of the WBAN introduces Multiple Access Interference (MAI). To combat this problem, presented is a methodology that uses a set of cyclically orthogonal spreading codes extracted from the Walsh-Hadamard matrix. When using the Cyclic Orthogonal Walsh-Hadamard Codes (COWHC) as spreading codes in the CDMA-based WBAN, the cyclic orthogonality property helps mitigate MAI amongst the on-body sensors. Presented is an ideal communication system that is most effective at mitigating MAI in proactive WBANs. The work illustrates the system optimality and effectiveness at mitigating MAI by studying the sensitivity to packet-loss through simulating the link Bit Error Rate (BER) performance. It is shown that the proposed design with COWHC, a Rayleigh flat-fading channel, BPSK modulation and a conventional receiver produce optimum MAI mitigation.

The presented work considers a CDMA-based Wireless Body Area Network (WBAN) where multiple biosensors communicate simultaneously to a central node in an asynchronous fashion. The asynchronous nature of the WBAN introduces Multiple Access Interference (MAI). To combat this problem, presented is a methodology that uses a set of cyclically orthogonal spreading codes extracted from the Walsh-Hadamard matrix. When using the Cyclic Orthogonal Walsh-Hadamard Codes (COWHC) as spreading codes in the CDMA-based WBAN, the cyclic orthogonality property helps mitigate MAI amongst the on-body sensors. Presented is an ideal communication system that is most effective at mitigating MAI in proactive WBANs. The work illustrates the system optimality and effectiveness at mitigating MAI by studying the sensitivity to packet-loss through simulating the link Bit Error Rate (BER) performance. It is shown that the proposed design with COWHC, a Rayleigh flat-fading channel, BPSK modulation and a conventional receiver produce optimum MAI mitigation.

CDMA channel selection requires sharp as well as wide-band Filtering. SAW Filters which have been used for this purpose are only available in IF range. In direct conversion receivers this has to be done at low frequencies. Switched Capacitor technique has been employed to design a low power, highly selective low-pass channel select Filter for CDMA wireless receivers. The topology which has been chosen ensures the low sensitivity of the Filter response. The circuit has been designed in a mixed-mode 0. 18u CMOS technology working with a single supply of 1. 8 V while its current consumption is less than 10 mA.