Cette thèse s'intéresse à la résolution du problème classique de décodage d'un mélange linéaire entaché d'un bruit additif gaussien. A partir d'une observation<br />bruitée: y = Hx+b, d'un signal x ∈ {±1}n mélangé linéairement par une matrice H connue, b étant un vecteur de bruit, on cherche le vecteur x minimisant la distance Euclidienne entre y et le vecteur Hx. Ce problème est réputé NP-complet. Il intervient dans un grand nombre de systèmes de télécommunications (CDMA,MIMO, MC-CDMA, etc.). Nous proposons dans cette thèse un algorithme de résolution quasi optimal de ce problème et bien adapté à une implémentation<br />matérielle.<br />Notre démarche s'appuie sur l'utilisation des méthodes classiques de recherche opérationnelle : trouver des points initiaux répartis sur l'espace des solutions<br />possibles et potentiellement proches de la solution optimale (diversification) et effectuer une recherche locale au voisinage des ces points (intensification). Dans<br />ce travail, la diversification est basée sur une approche géométrique utilisant les axes dominants de concentration du bruit (vecteurs singuliers associés aux<br />valeurs singulires minimales de la matrice H). Les performances en terme de taux d'erreur par bit de la méthode proposée sont proches de l'optimum tout en<br />gardant une complexité constante et un degré de parallélisme important (même pour des matrices H de taille très importantes, de l'ordre de 100). Nous avons<br />étendu cette méthode à la constellation MAQ-16 d'une part, et à la génération d'une décision souple d'autre part.<br />Nous avons étudié l'algorithme proposé du point de vue implémentation matérielle.<br />La sensibilité à l'utilisation de la précision finie et des normes sous optimales est décrite. Une étude de complexité de l'algorithme est présentée ainsi que les effets d'une mauvaise estimation de la matrice H.<br />L'algorithme proposé présente d'une part une nouvelle alternative pour le 11 décodage quasi optimal du mélange linéaire bruité et d'autre part un important<br />degré de parallélisme permettant une implémentation matérielle efficace et rapide.

Le travail présenté dans ce manuscrit trouve son origine dans l'ensemble des recherches menées au laboratoire ondes et acoustique sur la technique du retournement temporel dans le cadre de l'acoustique ultrasonore. C'est dans le but d'appliquer cette technique à la gamme des fréquences audibles que j'ai tout d'abord effectué un stage de DEA, puis ma thèse, sous la direction de Mathias Fink. Une des principales propriétés du retournement temporel est de permettre d'obtenir une focalisation de bonne qualité même lorsque le milieu est complexe, comme cela est le cas par exemple lorsque la propagation est perturbée par un grand nombre de réflexions. Pour cette raison, la première motivation de ces travaux était de concevoir un système capable d'émettre des messages sonores, de parole ou de musique, focalisés spatialement. Ce genre de système aurait par exemple permis d'envoyer des messages dans des langues différentes à différents endroits, serait capable de fonctionner dans des pièces réverbérantes, comme peuvent l'être la plupart des lieux de conférence ou de travail. Malheureusement, les caractéristiques physiques des signaux rencontrés dans le monde de l?audio, qu?il s?agisse de parole ou de musique, rendent délicate, voire impossible, l?utilisation d?un tel système, comme nous pourrons le voir au cours des deux premiers chapitres. Cette observation nous a inspiré deux réflexions : tout d?abord, quelles applications pratiques peut-on trouver à une technique de focalisation en acoustique audible ; ensuite, ces techniques principalement étudiées à des fins d?imagerie dans le domaine ultrasonore, et pas du tout dans le but de transmettre de l?information. Notre deuxième réflexion sera alors de tenter de mesurer la capacité d?une technique de focalisation à transmettre de l?information, y compris dans un milieu complexe du point de vue de la propagation.

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.

Les moyens de communications actuels des bâtiments de surface ne permettent pas d'entretenir des liaisons point-à-point avec des débits supérieurs à 10 Mbits/s et sur de longues portées (>10 MN). Or, un tel besoin est rencontré dans le cadre d'un projet de transmission vidéo en temps réel depuis une embarcation légère vers son navire support. De plus, ce nouveau besoin doit être analysé en considérant les contraintes inhérentes au milieu marin, à l'intégration des systèmes aux plateformes et à la lumière des nouvelles technologies. Dans une première partie, une analyse des caractéristiques qui distinguent une liaison vidéo en temps réel d'une liaison à haut débit classique est proposée. Ensuite, différents modèles de propagation sont mis en oeuvre pour déterminer les propriétés du canal radio en milieu marin. Cette analyse est complétée par une étude qualitative des phénomènes induits par la dégradation de l'état de mer. La troisième partie débute par une étude du canal de transmission à longue portée qui démontre la nécessité d'utiliser des antennes directives. Le développement d'un modèle de canal intégrant l'attitude des plateformes et les données de rayonnement des antennes est donc détaillé. Enfin, la recherche de structures rayonnantes directives adaptées aux plateformes est abordée dans la dernière partie. La solution proposée pour l'embarcation légère est développée par la suite. Basée sur un réseau circulaire fonctionnant en bande S, son architecture permet d'obtenir un gain maximal supérieur à 10 dBi tout en facilitant son intégration à bord.

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse ont pour but l'étude et l'optimisation d'un système de communications à haut-débit sur lignes électriques, mettant en œuvre les techniques combinant l'OFDM et le CDMA. Cette étude s'inscrit dans un contexte d'exploitation de la boucle locale électrique pour l'accès à l'Internet domestique.<br /><br />La première partie du document est consacrée à l'étude des spécifications du système de communications. Un état de l'art sur les communications par courant porteur est tout d'abord proposé, accompagné d'une synthèse sur la structure du réseau des lignes électriques et les caractéristiques du canal de propagation. Les différents choix concernant le système à développer sont ensuite envisagés pour l'obtention de communications multiutilisateurs en liaison point-à-multipoint dans un environnement multicellulaire. La combinaison entre l'OFDM et le CDMA, appelée SS-MC-MA, est retenue et une structure de trame est proposée.<br /><br />La deuxième partie du document est dédiée à l'étude des procédés de synchronisation et d'estimation de canal. Les effets des erreurs de synchronisation sont en premier lieu identifiés et la tolérance du système aux défauts de rythme est spécifiée. La procédure de synchronisation du système est ensuite décrite et des algorithmes conjoints et innovants de synchronisation temporelle fine et d'estimation de canal sont proposés. Deux approches reposant sur une mise en œuvre de ces algorithmes dans le domaine fréquentiel et temporel sont alors comparées. <br /><br />La dernière partie traite, dans le cas de signaux SS-MC-MA, de l'allocation globale des différentes ressources du système, dans les cas mono- et multi-utilisateur avec une connaissance parfaite du canal à l'émission. Le principe des modulations adaptatives appliqué à la DMT est tout d'abord abordé et adapté au contexte de l'étude. En considérant une limitation de la densité spectrale de puissance d'émission, de nouveaux algorithmes d'allocation sont ensuite développés en mode SS-MC-MA. Il est alors démontré que la composante étalement permet une meilleure exploitation des énergies disponibles sur chaque sous-porteuse, et de transmettre alors un débit plus élevé que la DMT ou de rendre la communication plus robuste. Les nombreux résultats obtenus dans diverses configurations montrent que le système SS-MC-MA adaptatif proposé est plus performant que la DMT pour les réseaux CPL.

Le tatouage des signaux audio numériques, outre ses applications de protection de la propriété intellectuelle, révèle la possibilité d'utiliser le signal audio numérique comme un support de communication: une information peut être insérée imperceptiblement dans un signal audio et être ainsi diffusée en suivant le même canal de transmission que celui emprunté par le signal audio. Concevoir un système de tatouage performant est l'objectif de ces travaux de thèse. Cette performance relève de contraintes et d'enjeux spécifiques: l'insertion du tatouage doit (1) être transparente (inaudible), (2) offrir un débit de transmission le plus élevé possible pour une fiabilité de transmission la meilleure possible tout en étant robuste à un ensemble de perturbations (traitements licites qui peuvent être effectués sur un signal audio lors de son parcours dans un réseau de diffusion) et (3) être peu coûteux en temps de calcul pour permettre une implémentation temps réel. Pour satisfaire au mieux la contrainte de transparence, un module de contrôle d'inaudibilité innovant, adjacent au modèle psychoacoustique utilisé pour la mise en forme spectrale du tatouage, est proposé. Ce module, basé sur l'algorithme de mesure objective de la qualité sonore PEAQ, établit de façon adaptative les conditions de transparence locale du tatouage en fonction du signal audio. Atteindre une fiabilité de transmission élevée et garantir la robustesse aux perturbations (telles que la compression MPEG, les changements de format, les filtrages, etc.) constituent la majeure partie de ce travail. La prise en compte, ces dernières années, de la connaissance du bruit audio pour la construction du tatouage a permis de très nettes avancées dans ce domaine tant sur la formalisation du problème de tatouage que sur les performances à escompter des systèmes, dit informés, qui en découlent. La majorité des systèmes de l'État de l'Art s'est concentrée sur la recherche d'un tatouage robuste souvent au détriment de la contrainte d'inaudibilité. A l'inverse, nous proposons différentes stratégies d'insertion du tatouage qui établissent en premier lieu l'inaudibilité locale du tatouage et maximisent ensuite la robustesse de sa transmission aux perturbations. Les performances du système et l'efficacité des stratégies d'insertion proposées sont établies sur des signaux audio réels et comparées à des systèmes de la littérature: une transmission "audible mais non gênante" avec un TEB de 0,001 peut être obtenue pour un débit de 170 bit/s en l'absence de perturbations (contre 80 bit/s pour une insertion non informée); le débit devra être fixé à 75 bit/s pour garantir la robustesse aux perturbations non désynchronisantes et à 125 bit/s pour résister à une opération désynchronisante.

L'aboutissement aux Commandes de Vol Électriques (CDVE) des avions civils actuels s'est fait par étapes, après une longue maturation des différentes technologies mises en place. La prochaine étape est l'utilisation de communications intégralement numériques et d'actionneurs intelligents. Cette thèse propose de nouvelles architectures, en rupture avec l'état de l'art, avec de nouvelles répartitions des fonctions intelligentes entre l'avionique centrale (calculateurs de commandes de vols) et l'avionique déportée (électroniques locales des actionneurs) dont l'avantage est d'exiger moins de ressources par rapport aux architectures conventionnelles tout en satisfaisant les mêmes exigences de sécurité et de disponibilité ainsi que les exigences croissantes en fiabilité opérationnelle de la part des compagnies aériennes. La sûreté de fonctionnement et la robustesse des nouvelles architectures proposées ont été validées respectivement sous OCAS/Altarica et Matlab/Simulink.

Le besoin d'améliorer la capacité des réseaux sans-fil, pour la transmission de données et les applications multimédia des systèmes de communications numériques, a amené à s'intéresser aux techniques de communication MIMO (Multiple Input Multiple Output) pour augmenter le débit et la qualité des transmissions. Les systèmes MIMO se servent de réseaux d'antennes, à la fois à l'émission et à la réception d'une communication radio et ainsi exploitent la dimension spatiale pour la transmission de l'information. Les performances expérimentales d'un système de communication peuvent être évaluées en utilisant un simulateur matériel du canal de propagation. Cette thèse a pour objectif la conception et la réalisation de la partie numérique d'un simulateur matériel pour les canaux de propagation MIMO, pour les réseaux UMTS et WLAN. La simulation matérielle du canal radio assure la vitesse de traitement nécessaire. D'autres avantages de la simulation matérielle sont l'évaluation des performances en temps réel et la comparaison de divers systèmes de radiocommunication dans un canal de propagation variant dans le temps, dans les mêmes conditions de test. L'étude de faisabilité a permis d'établir deux approches, l'une pour les environnements indoor, l'autre pour les environnements outdoor. Les architectures numériques proposées ont été étudiées et implémentées dans un composant programmable FPGA. L'évaluation des performances et de la complexité montre l'intérêt de ces architectures. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet PRIR SIMPAA 2, avec le soutien de la Région Bretagne.

Ces dernières années, les systèmes de communication sans fil utilisant plusieurs antennes en émission et en réception, couramment appelés systèmes MIMO, sont apparus comme une solution très prometteuse pour améliorer le débit et la fiabilité des transmissions de données. Dans le but de répartir l'information sur les différentes antennes d'émission, une multitude de codes temps-espace a été proposée dans la littérature. Parmi ces schémas de codage, les codes temps-espace en treillis (STTCs), basés sur des modulations codées en treillis dans un contexte multi-antennaire, se sont distingués comme offrant un très bon gain de codage. Des critères ont été élaborés pour analyser les performances des STTCs. Cependant, pour identifier les codes offrant les meilleures performances, il est nécessaire d'appliquer ces critères sur la totalité des codes. Cette recherche exhaustive nécessite un temps important de calcul, en particulier lorsque le nombre d'antennes d'émission, le nombre d'états du codeur ou encore la complexité de la modulation augmentent. Le but de cette thèse est de proposer des solutions rapides et efficaces pour construire les meilleurs STTCs sans avoir recours à une recherche exhaustive. Dans un premier temps, une nouvelle méthode de construction des STTCs $2^n$-PSK équilibrés est présentée. L'avantage de cette classe de codes est de contenir l'ensemble des STTCS offrant les meilleures performances. Il suffit alors d'analyser seulement les STTCs $2^n$-PSK équilibrés pour trouver les meilleurs STTCs. Une deuxième méthode appelée 'coset partitioning' est ensuite présentée. Exploitant une approche en cosets du set partitioning proposé par Ungerboeck, elle permet de générer de manière optimale les STTCs $2^n$2n-PSK les plus performants. Ainsi, les meilleurs STTCs 4-PSK de 2 à 8 antennes d'émission et les meilleurs STTCs 8-PSK de 2 à 6 antennes d'émission sont proposés. Par la suite, nous nous intéressons à la génération des STTCs $2^{2n}$-QAM. Basée sur la décomposition de la distance euclidienne entre deux mots de code, une méthode permettant la génération des meilleurs STTCs $2^{2n}$-QAM est décrite. Ainsi, grâce à l'efficacité de cette méthode, pour la première fois, des STTCs 16-QAM avec 3 et 4 antennes et des STTCs 64-QAM avec 2 et 3 antennes d'émission sont construits. Par ailleurs, les performances de tous les nouveaux codes proposés durant ces travaux de thèse sont évaluées par simulation en présence de canaux lents ou rapides de Rayleigh et en prenant en référence les meilleurs codes correspondants jusqu'alors publiés (lorsqu'ils existent).

L'aboutissement aux Commandes de Vol Électriques (CDVE) des avions civils actuels s'est fait par étapes, après une longue maturation des différentes technologies mises en place. La prochaine étape est l'utilisation de communications intégralement numériques et d'actionneurs intelligents. Cette thèse propose de nouvelles architectures, en rupture avec l'état de l'art, avec de nouvelles répartitions des fonctions intelligentes entre l'avionique centrale (calculateurs de commandes de vols) et l'avionique déportée (électroniques locales des actionneurs) dont l'avantage est d'exiger moins de ressources par rapport aux architectures conventionnelles tout en satisfaisant les mêmes exigences de sécurité et de disponibilité ainsi que les exigences croissantes en fiabilité opérationnelle de la part des compagnies aériennes. La sûreté de fonctionnement et la robustesse des nouvelles architectures proposées ont été validées respectivement sous OCAS/Altarica et Matlab/Simulink. / The current civil aircraft's electrical flight control has been changed to take benefit of technical improvements. New technologies, when mature, can be incorporated in aircrafts. Evolutions are considered towards a digital communication and intelligent actuators. This thesis is aiming at proposing alternative architectures with distribution of system functionality between flight control computers and actuators with less hardware and software resources. New architectures must meet the same safety and availability requirements with additional operational reliability (required by airlines). Dependability and robustness of new architectures have been validated trough respectively OCAS / AltaRica and Matlab / Simulink