In recent years, ultra-wideband (UWB) communications has gained tremendous popularity in both research community and industry. The large bandwidth of UWB systems raises new wireless channel effects and consequently unique advantages as well as challenges to be dealt with, compared to conventional wireless systems. One of these advantages is the ability to resolve dense multipath components and use Rake combining at the receiver in order to significantly reduce the negative effects of fading. However, implementing a Rake receiver with a sufficiently large number of fingers to make use of this advantage is an evident challenge for most UWB devices with limited signal processing capabilities. A possible approach to overcome this problem is to move computational complexity from the receiver to the more powerful transmitter, which is the main focus of the present work. In this thesis, we propose two novel pre-equalization schemes for multiple- input single-output (MISO) direct-sequence ultra-wideband (DS-UWB) systems with pre-Rake combining and symbol-by-symbol detection. The first pre-equalization filter (PEF) scheme employs one PEF per transmit antenna, whereas in the second, simplified PEF (S-PEF) scheme all transmit antennas share the same PEF. For both schemes the optimum finite impulse response (FIR) and infinite impulse response (IIR) PEFs are calculated based on the minimum mean squared error (MMSE) criterion. We show that in contrast to previously proposed schemes for DS-UWB, both our proposed PEF schemes efficiently exploit the channel shortening properties of the pre-Rake filter. In particular, our proposed PEF schemes operate at the symbol level. We also show that under certain conditions the S-PEF scheme achieves the same performance as the more complex PEF scheme. Finally, we demonstrate that a single-input multiple-output (SIMO) DS-UWB system with post-Rake combining and MMSE post-equalization is the dual system to the considered MISO DS–UWB system with pre-Rake combining and MMSE pre-equalization. This uplink-downlink duality can be exploited for efficient calculation of the PEFs and for complexity reduction. Our simulation results show that the proposed PEF schemes achieve significant performance gains over pre-Rake combining without equalization even if only short PEFs are employed, and this is the case even for long UWB channel impulse responses. / Applied Science, Faculty of / Electrical and Computer Engineering, Department of / Graduate

<p> There are two popular approaches in the communication between multiple receivers and a base station with multiple antennas: dirty paper coding and multiuser diversity. Dirty paper coding can be rather difficult to realize, which motivates people to find some practical schemes. When there are a lot of users, multiuser diversity requires a lot of feedback which decrease the uplink spectrum efficiency.</p> <p> In this paper, we aim to minimize the probability of error subject to the total transmit power constraint and decrease the amount of feedback required by the multiuser diversity instead of trying to achieve the dirty paper coding. There are two main results in this thesis: First, we formulate the minimization of the average probability of error of all the users as a convex optimization problem, subject to the peak or the average power constraints. The proposed transmitter represents a nonlinear one-to-one mapping between the transmitted data vector and the symbol vector. The transmitted data vector going through the base station antennas is obtained as a solution to the proposed convex error probability optimization problem that can be solved using computationally efficient interior point algorithms. Furthermore, we propose a random unitary beamforming technique to reduce the feedback by selecting a threshold for the users. To improve fairness, an equal ratio scheduling algorithm which could serve the users with different rate requirements is developed. We also give an upper and lower bound on the sum rate achievable in our approach. Monte Carlo simulation results is provided to verify the performance of the proposed algorithms.</p> / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

La deuxième génération de la norme de la Télévision Numérique Terrestre (DVB-T2), abréviation de «Digital Video Broadcasting-second generation», a été publiée par l'European Telecommunications Standards Institute (ETSI-EN 302 755) en avril 2009. Elle correspond à une extension de la norme DVB-T actuellement en cours dédiée à la diffusion de la Télévision Numérique Terrestre (TNT). La technologie DVB-T2 a vocation de satisfaire les besoins des diffuseurs terrestres qui désirent, soit de proposer des services numériques inédits lors de l'extinction de la TV analogique (plusieurs programmes TVHD multiplexés), soit d'améliorer la réception sur des téléviseurs portables à l'intérieur des bâtiments ou sur des récepteurs embarqués à bord de véhicules. La norme DVB-T2 est basée sur des principes permettant de mettre en oeuvre des réseaux SFN (Single Frequency Network). Plus précisément, des réseaux de diffusion composés de plusieurs émetteurs et diffusant sur une même fréquence un même signal avec des délais maitrisés. De plus, cette norme DVB-T2 intègre un mécanisme de codage Spatio-fréquentiel de type MISO (Multiple Input Single Output). Ce mode de codage doit améliorer les performances en termes de qualité de réception, du réseau de diffusion par rapport à des réseaux SFN à deux émetteurs, couramment utilisés dans la norme DVB-T. Cependant, à ce jour il y a peu d'évaluations réelles de l'apport d'une diffusion MISO à base de deux antennes et aucune évaluation d'une diffusion MISO dans un réseau SFN à trois ou plusieurs émetteurs. C'est dans ce contexte que se situent ces travaux de thèse. Plus particulièrement, il s'agit d'évaluer les performances des diffusions permettant dans la norme DVB-T2. Parmi les objectifs des travaux présentés dans ce manuscrit, il y a l'exploration et l'évaluation de l'apport d'une solution MISO Alamouti dans un réseau de diffusion combiné ou non à un réseau de type SFN. Nous proposons une nouvelle modélisation d'un réseau au standard DVB-T2 que l'on désigne comme un réseau SFN-MISO. Plusieurs études et résultats de simulation pour des réceptions fixes ou mobiles, ainsi que des analyses détaillées sur les performances d'une distribution MISO Alamouti dans un réseau à fréquence unique (SFN) pour un nombre variable de cas d'antennes, de codage et de modulation, sont donnés. Une exploration et évaluation d'une diversité MISO de type Tarokh est également étudiée et comparée à une approche MISO Alamouti. Le but est de déterminer et d?évaluer les réseaux de diffusion au standard DVB-T2 permettant de nouvelles méthodes de déploiement, de supervision et de diagnostics qui doivent conduire à une meilleure qualité de réception TNT tant fixe que mobile / The second generation of the Digital Terrestrial Television standard (DVB-T2) called "Digital Video Broadcasting-second generation", was published by ETSI (EN 302,755) in April 2009. This new standard is an extension of the DVB-T which is currently used for the broadcast of digital terrestrial television. The DVB-T2 is intended to meet the requirements of terrestrial broadcasters in order to either offer novel digital services after turning off the analogue TV (several HDTV programs by one multiplex) or improve the indoor portable reception of TVs and embedded receivers in vehicles. Digital Terrestrial Television (DTT) is based on SFN (Single Frequency Network) Networks. More precisely, broadcasting networks based on several transmitters which transmit on the same frequency the similar signal with controlled delays. In addition, the standard DVB-T2 proposes an encoding Space-frequency mechanism of type MISO (Multiple Input Single Output). This method of encoding provides improved performance over SFN based on two transmitters. However, there are few real evaluations of the benefit to use a MISO broadcast based on two antennas, and no evaluations of MISO in SFN network based on three and more transmitters. In this context, the works carred out in this thesis consists of evaluating the performances of the different types of broadcasting modes allowed in the standard DVB-T2. Among the objectives, the different types of networks presented in this manuscript, are to explore as far as possible the contribution of solution MISO Alamouti combined or not with SFN broadcast networks. To achieve that, we have proposed a new modeling of DVB-T2 broadcast networks. Several simulation results for fixed and mobile receptions, and detailed performance analysis of the Alamouti diversity in a Single Frequency Network (SFN) for different numbers of antennas, coding and modulation are obtained. Exploration of the MISO-Tarokh technique is also studied and compared with MISO-Alamouti in order to determine and evaluate networks allowing new methods of deployment, monitoring and diagnostic suitable for efficient fixed and mobile terrestrial broadcasting reception

Kalba yra natūralus žmonių bendravimo būdas. Teksto-į-šneką (TTS) problemos atsiranda įvairiose srityse: elektroninių laiškų skaitymas balsu, teksto iš elektroninių knygų skaitymas balsu, paslaugos kalbos sutrikimų turintiems žmonėms. Kalbos sintezatoriaus kūrimas yra be galo sudėtingas uždavinys. Įvairių šalių mokslininkai bando automatizuoti kalbos sintezę. Siekiant išspręsti lietuvių kalbos sintezės problemą, būtina kurti naujus lietuvių kalbos garsų matematinius modelius. Disertacijos tyrimo objektas yra dinaminiai lietuviškos šnekos balsių ir pusbalsių fonemų modeliai. Pasiūlyti balsių ir pusbalsių fonemų dinaminiai modeliai gali būti panaudoti kuriant formantinį kalbos sintezatorių. Garsams aprašyti pasiūlyta modeliavimo sistema pagrįsta balsių ir pusbalsių fonemų matematiniu modeliu bei pagrindinio tono ir įėjimų nustatymo automatine procedūra. Fonemos signalas yra gaunamas kai daugelio-įėjimų ir vieno-išėjimo (MISO) sistemos išėjimas. MISO sistema susideda iš lygiagrečiai sujungtų vieno-įėjimo ir vieno-išėjimo (SISO) sistemų, kurių įėjimų amplitudes kinta laike. Disertacijoje du sintezės metodai sukurti: harmoninis ir formantinis. Eksperimentiniai rezultatai parodė, kad balsiai ir pusbalsiai sintezuoti minėta sistema skamba pakankamai natūraliai. / Speech is the most natural way of human communication. Text-to-speech (TTS) problem arises in various applications: reading email aloud, reading text from e-book aloud, services for the people with speech disorders. Construction of speech synthesizer is a very complex task. Researchers are trying to automate speech synthesis. In order to solve the problem of Lithuanian speech synthesis, it is necessary to develop mathematical models for Lithuanian speech sounds. The research object of the dissertation is Lithuanian vowel and semivowel phoneme models. The proposed vowel and semivowel phoneme models can be used for developing a TTS formant synthesizer. Lithuanian vowel and semivowel phoneme modelling framework based on a vowel and semivowel phoneme mathematical model and an automatic procedure of estimation of the vowel phoneme fundamental frequency and input determining is proposed. Using this framework, the phoneme signal is described as the output of a linear multiple-input and single-output (MISO) system. The MISO system is a parallel connection of single-input and single-output (SISO) systems whose input impulse amplitudes vary in time. Within this framework two synthesis methods are proposed: harmonic and formant. Simulation has revealed that that the proposed framework gives sufficiently good vowel and semivowel synthesis quality.

Speech is the most natural way of human communication. Text-to-speech (TTS) problem arises in various applications: reading email aloud, reading text from e-book aloud, services for the people with speech disorders. Construction of speech synthesizer is a very complex task. Researchers are trying to automate speech synthesis. In order to solve the problem of Lithuanian speech synthesis, it is necessary to develop mathematical models for Lithuanian speech sounds. The research object of the dissertation is Lithuanian vowel and semivowel phoneme models. The proposed vowel and semivowel phoneme models can be used for developing a TTS formant synthesizer. Lithuanian vowel and semivowel phoneme modelling framework based on a vowel and semivowel phoneme mathematical model and an automatic procedure of estimation of the vowel phoneme fundamental frequency and input determining is proposed. Using this framework, the phoneme signal is described as the output of a linear multiple-input and single-output (MISO) system. The MISO system is a parallel connection of single-input and single-output (SISO) systems whose input impulse amplitudes vary in time. Within this framework two synthesis methods are proposed: harmonic and formant. Simulation has revealed that that the proposed framework gives sufficiently good vowel and semivowel synthesis quality. / Kalba yra natūralus žmonių bendravimo būdas. Teksto-į-šneką (TTS) problemos atsiranda įvairiose srityse: elektroninių laiškų skaitymas balsu, teksto iš elektroninių knygų skaitymas balsu, paslaugos kalbos sutrikimų turintiems žmonėms. Kalbos sintezatoriaus kūrimas yra be galo sudėtingas uždavinys. Įvairių šalių mokslininkai bando automatizuoti kalbos sintezę. Siekiant išspręsti lietuvių kalbos sintezės problemą, būtina kurti naujus lietuvių kalbos garsų matematinius modelius. Disertacijos tyrimo objektas yra dinaminiai lietuviškos šnekos balsių ir pusbalsių fonemų modeliai. Pasiūlyti balsių ir pusbalsių fonemų dinaminiai modeliai gali būti panaudoti kuriant formantinį kalbos sintezatorių. Garsams aprašyti pasiūlyta modeliavimo sistema pagrįsta balsių ir pusbalsių fonemų matematiniu modeliu bei pagrindinio tono ir įėjimų nustatymo automatine procedūra. Fonemos signalas yra gaunamas kai daugelio-įėjimų ir vieno-išėjimo (MISO) sistemos išėjimas. MISO sistema susideda iš lygiagrečiai sujungtų vieno-įėjimo ir vieno-išėjimo (SISO) sistemų, kurių įėjimų amplitudes kinta laike. Disertacijoje du sintezės metodai sukurti: harmoninis ir formantinis. Eksperimentiniai rezultatai parodė, kad balsiai ir pusbalsiai sintezuoti minėta sistema skamba pakankamai natūraliai.

Le trafic de données a connu une explosion durant les dernières décennies, en raison d’une augmentation de la demande liée à la vidéo en ligne, mais aussi de la voix sur IP et le peer to peer. L’émergence du cloud computing et du cloud gaming ainsi que la haute résolution des contenus vidéo tend à accroître encore cette demande de débit. Ainsi les normes de communication évoluent afin de fournir les utilisateurs avec le meilleur débit possible. De ce fait, les systèmes nécessitent d’embarquer des techniques d’accès multiples afin de séparer les utilisateurs et l’augmentation du nombre d’antennes devient indispensable. Par conséquent, ces équipements deviennent de plus en plus complexes et énergivores. Dans le but de réduire la complexité des systèmes et ainsi diminuer leur consommation, en permettant de plus de fonctionner avec de faibles puissances d’émission, le Retournement Temporel apparaît comme une solution envisageable. En effet, cette technique permet de focaliser des ondes électromagnétiques dans le temps et l’espace. Ainsi, grâce à ce procédé il devient possible de réaliser des communications multi-antennes à faible complexité et à faibles interférences entre symboles grâce à la propriété de focalisation temporelle, et à faibles interférences intérutilisateurs grâce à la propriété de focalisation spatiale. Cependant, afin de l’adapter aux normes de communication actuelles, il est nécessaire d’étudier la combinaison duRetournement Temporel avec les systèmes multi-porteuses présents dans les principales normes de communication par paquets. Le but de cette thèse est donc d’étudier le Retournement Temporel appliqué aux modulations multi-porteuses, et plus particulièrement à l’OFDM. Dans un premier temps, la manière de réaliser une telle combinaison est étudiée dans un contexte SISO (Single Input Single Output). Ensuite, les avantages au niveau de la synchronisation et de la réduction de l’intervalle de garde d’une telle association sont décrits et analysés. Par la suite, une extension aux systèmes MISO (Multiple Input Single Output) est présentée, ainsi que la combinaison avec les codes espace temps en bloc orthogonaux. Les performances de ces systèmes en termes de capacité et de taux d’erreurs binaire sont ensuite évaluées analytiquement et comparées avec celles des systèmes concurrents. Un algorithme de modulation adaptative est ensuite ajouté au système afin d’en améliorer les performances. Ensuite, la manière de combiner le Retournement Temporel avec un système OQAM est présentée. Il est montré que cette combinaison permet de réaliser simplement des systèmes MISO-OQAM, et d’exploiter la diversité spatiale. Il est également montré ici que la combinaison avec les codes espace temps en bloc orthogonaux est réalisable. Enfin, la robustesse du système combinant le Retournement Temporel et l’OFDM face aux erreurs d’estimation est évaluée à l’aide de deux algorithmes d’estimation de canal. / The data traffic has been exploding in the last decades, owing to the increasing demand in streaming video, just as voice over IP and peer to peer. The appearance of cloud computing and cloud gaming, as well as the high resolution of video contents tend to increase this data rate demand. Hence, the communication norms evolve to provide users with the best possible throughput. Consequently, systems necessitate embedding multiple accesstechniques in order to discriminate users and the increase of the number of antennas becomes mandatory. Hence, these equipments become more and more complex and power consuming. To reduce the systems complexity and then decrease their consumption, also allowing working with low transmitting power, Time Reversal appears as a conceivable solution. Indeed, this technique allows focusing electromagnetic waves in the time and in the space domain. Hence, thanks to this process, low complexity multi-antennas communication becomes feasible, and with low inter symbol interference thanks to the time focusing property, and with lowinter user interference thanks to the space focusing property. However, in order to adapt if to current communication norms, it is necessary to study the combination of Time Reversal with multi-carrier systems used in the main packet communication norms. The aim of this PhD thesis is to study Time Reversal whenapplied to multi-carrier modulations, and particularly with OFDM. At first, the way to combine the two techniques isshowed in a SISO (Single Input Single Output) context. Then, the benefits in the synchronization process and the guard interval reduction of such association are described and analyzed. Afterwards, an extension to MISO (Multiple Input Single Output) systems is presented, as well as the combination with orthogonal space time bloc codes. The performances of these systems in terms of capacity and bit error rate are then analytically calculated and compared with other systems. An adaptive modulation algorithm is then added to the system aiming to improve the performances. Then, the way to combine Time Reversal with an OQAM system is presented. It is shown that this combination allows realizing simple MISO-OQAM systems, and also allows exploiting thespatial diversity. It is also shown that the combination with space time orthogonal block codes is feasible.Finally, the robustness of the system combining Time Reversal and OFDM when experiencing channel estimation errors is evaluated, with two channel estimation logarithms for multicarrier systems.

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Le trafic de données a connu une explosion durant les dernières décennies, en raison d'une augmentation de la demande liée à la vidéo en ligne, mais aussi de la voix sur IP et le peer to peer. L'émergence du cloud computing et du cloud gaming ainsi que la haute résolution des contenus vidéo tend à accroître encore cette demande de débit. Ainsi les normes de communication évoluent afin de fournir les utilisateurs avec le meilleur débit possible. De ce fait, les systèmes nécessitent d'embarquer des techniques d'accès multiples afin de séparer les utilisateurs et l'augmentation du nombre d'antennes devient indispensable. Par conséquent, ces équipements deviennent de plus en plus complexes et énergivores. Dans le but de réduire la complexité des systèmes et ainsi diminuer leur consommation, en permettant de plus de fonctionner avec de faibles puissances d'émission, le Retournement Temporel apparaît comme une solution envisageable. En effet, cette technique permet de focaliser des ondes électromagnétiques dans le temps et l'espace. Ainsi, grâce à ce procédé il devient possible de réaliser des communications multi-antennes à faible complexité et à faibles interférences entre symboles grâce à la propriété de focalisation temporelle, et à faibles interférences intérutilisateurs grâce à la propriété de focalisation spatiale. Cependant, afin de l'adapter aux normes de communication actuelles, il est nécessaire d'étudier la combinaison duRetournement Temporel avec les systèmes multi-porteuses présents dans les principales normes de communication par paquets. Le but de cette thèse est donc d'étudier le Retournement Temporel appliqué aux modulations multi-porteuses, et plus particulièrement à l'OFDM. Dans un premier temps, la manière de réaliser une telle combinaison est étudiée dans un contexte SISO (Single Input Single Output). Ensuite, les avantages au niveau de la synchronisation et de la réduction de l'intervalle de garde d'une telle association sont décrits et analysés. Par la suite, une extension aux systèmes MISO (Multiple Input Single Output) est présentée, ainsi que la combinaison avec les codes espace temps en bloc orthogonaux. Les performances de ces systèmes en termes de capacité et de taux d'erreurs binaire sont ensuite évaluées analytiquement et comparées avec celles des systèmes concurrents. Un algorithme de modulation adaptative est ensuite ajouté au système afin d'en améliorer les performances. Ensuite, la manière de combiner le Retournement Temporel avec un système OQAM est présentée. Il est montré que cette combinaison permet de réaliser simplement des systèmes MISO-OQAM, et d'exploiter la diversité spatiale. Il est également montré ici que la combinaison avec les codes espace temps en bloc orthogonaux est réalisable. Enfin, la robustesse du système combinant le Retournement Temporel et l'OFDM face aux erreurs d'estimation est évaluée à l'aide de deux algorithmes d'estimation de canal.

This thesis is about some issues in system modeling: The first is a parsimonious representation of MISO Hammerstein system, which is by projecting the multivariate linear function into a univariate input function space. This leads to the so-called semiparamtric Hammerstein model, which overcomes the commonly known “Curse of dimensionality” for nonparametric estimation on MISO systems. The second issue discussed in this thesis is orthogonal expansion analysis on a univariate Hammerstein model and hypothesis testing for the structure of the nonlinear subsystem. The generalization of this technique can be used to test the validity for parametric assumptions of the nonlinear function in Hammersteim models. It can also be applied to approximate a general nonlinear function by a certain class of parametric function in the Hammerstein models. These techniques can also be extended to other block-oriented systems, e.g, Wiener systems, with slight modification. The third issue in this thesis is applying machine learning and system modeling techniques to transient stability studies in power engineering. The simultaneous variable section and estimation lead to a substantially reduced complexity and yet possesses a stronger prediction power than techniques known in the power engineering literature so far.

This thesis is about some issues in system modeling: The first is a parsimonious representation of MISO Hammerstein system, which is by projecting the multivariate linear function into a univariate input function space. This leads to the so-called semiparamtric Hammerstein model, which overcomes the commonly known “Curse of dimensionality” for nonparametric estimation on MISO systems. The second issue discussed in this thesis is orthogonal expansion analysis on a univariate Hammerstein model and hypothesis testing for the structure of the nonlinear subsystem. The generalization of this technique can be used to test the validity for parametric assumptions of the nonlinear function in Hammersteim models. It can also be applied to approximate a general nonlinear function by a certain class of parametric function in the Hammerstein models. These techniques can also be extended to other block-oriented systems, e.g, Wiener systems, with slight modification. The third issue in this thesis is applying machine learning and system modeling techniques to transient stability studies in power engineering. The simultaneous variable section and estimation lead to a substantially reduced complexity and yet possesses a stronger prediction power than techniques known in the power engineering literature so far.