Wireless communication systems require high spectral efficiency and throughput in order to be cost-effective. Link adaptation schemes are known to be a good solution to achieve this goal. However, the necessity of additional information or increased complexity prevents these schemes from being implemented. In this context, research on resource allocation based on different constraints, such as complexity or feedback, is important. The major contribution of this dissertation is the development of three novel techniques to enhance performance in practical implementations of the adaptive OFDM systems. This dissertation first introduces a new multiuser OFDM system to enhance performance in the low SNR regime. In this scheme, multiuser diversity can be efficiently amplified from random power allocation and opportunistic scheduling. Higher spectral efficiency can be achieved without an increase of complexity or feedback amount compared to conventional multiuser OFDM systems using equal power allocation. This dissertation also presents a modified multi-mode power loading scheme. A modified multi-mode power loading scheme can circumvent the limit of current multi-mode power loading schemes by significantly reducing search amount from 2N - 1 to N, where N is the number of subcarriers. Finally, this dissertation has introduced adaptive OFDM systems using channel gain order information in limited feedback environments. Adaptive OFDM systems using the order mapping technique achieve comparable performance to conventional adaptive OFDM systems in terms of bit error rate and average spectral efficiency, while the amount of feedback is significantly reduced. Furthermore, by simply exploiting order mapping and interpolation, the analyzing technique circumvents the practical shortcomings of previous limited feedback techniques for OFDM systems. / text

Dans cette thèse, les recherches ont été menées à des niveaux d'abstraction différents pour optimiser le fonctionnement du modulateur ΣΔ passe-haut (PH). Une approche « top-down » est adoptée pour atteindre cet objectif. Au niveau de l'architecture du récepteur RF, le nouvellement créé récepteur Fs/2 est sélectionné pour sa grande compatibilité avec modulateur ΣΔ PH comparé aux architectures de réception: zéro-IF et faible-IF. Après avoir défini la topologie du récepteur, l'architecture du modulateur ΣΔ est adressée. Nous proposons une nouvelle architecture du deuxième ordre dont la fonction de transfert du signal est unitaire. Elle est plus avantageuse que d'autres topologies en termes de complexité et de performance. Puisque le modulateur de second ordre est incapable de fournir les performances requises, les structures en cascade ou MASH pour l'opération PH sont explorées. La topologie GMSCL (Generalized Multi-Stage Closed Loop) est choisie et une technique récemment proposée est appliquée pour linéariser le CNA de retour. En plus, cette technique augmente la plage dynamique du convertisseur. Ensuite, après une analyse comparative approfondie, le meilleur filtre HP est choisie pour ce modulateur. Il a les avantages d'avoir une basse consommation, une superficie réduite et un bruit moins important. Enfin, l'architecture GMSCL PH proposée est validée en CMOS 65nm. Les applications visées sont l'UMTS avec 3.84MHz bande de conversion à 80 dB de la plage dynamique et WiMAX avec 25MHz de bande passante à 52dB de dynamique.

Ce mémoire présente une étudie théorique des propriétés dynamiques et quantiques d'un oscillateur paramétrique optique dégénéré de type I que est pompé de manière synchrone par un laser verrouillé en phase (SPOPO). Récemment, des SPOPO ont été exploité pour générer des impulsions optique de très bref durée et leurs propriétés temporelles ont été étudiées théoriquement. Ayant un très grand nombre de degrés de liberté, le champ sortant d'un SPOPO doit être caractérisé au moyen d'une analyse quantique multimodale. Par conséquent, nous développons d'abord un modèle multi-mode de ce système en déduisant des équations quantiques pour les opérateurs de champ intra-cavité. Ensuite, nous étudions les solutions stationnaires pour les champs générés. Celles-ci sont solution d'une équation aux valeurs propres dont le spectre donne des informations sur le nombre de modes « utiles » qui peuvent être extraits et qui condensent toutes les propriétés dynamiques et quantiques du champ intra-cavité et que nous appelons « super-modes ».En fait, nous montrons que non seulement le super-mode de seuil le plus bas a (idéalement) des fluctuations parfaitement comprimées au seuil, mais aussi tout les autres super-modes, dont les seuils sont suffisamment proches du première, ont un caractère non-classique important. Cette propriété démontre clairement le fait qu'un SPOPO est un système fortement multi-mode. La dernière partie est consacrée à l'étude du champ de sortie sous le point de vue de la génération d'états intriqué multi-modes et à l'optimisation de ces états au moyen de configurations expérimentales spécifiques.

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Large on-chip bandwidths required for high performance electronic chips will render optical components essential parts of future on-chip interconnects. Silicon photonics enables highly integrated photonic integrated circuit (PIC) using CMOS compatible process. In order to maximize the bandwidth density and design flexibility of PICs, vertical integration of electronic layers and photonics layers is strongly preferred. Comparing deposited silicon, single crystalline silicon offers low material absorption loss and high carrier mobility, which are ideal for multi-layer silicon PIC. Three different methods to build multi-layer silicon PICs based on single crystalline silicon are demonstrated in this dissertation, including double-bonded silicon-on-insulator (SOI) wafers, transfer printed silicon nanomembranes, and adhesively bonded silicon nanomembranes. 1-to-12 waveguide fanouts using multimode interference (MMI) couplers were designed, fabricated and characterized on both double-bonded SOI and transfer printed silicon nanomembrane, and the results show comparable performance to similar devices fabricated on SOI. However, both of these two methods have their limitations in optical interconnects applications. Large and defect-free silicon nanomembrane fabricated using adhesive bonding is identified as a promising solution to build multi-layer silicon PICs. A double-layer structure constituted of vertically integrated silicon nanomembranes was demonstrated. Subwavelength length based fiber-to-chip grating couplers were used to couple light into this new platform. Three basic building blocks of silicon photonics were designed, fabricated and characterized, including 1) inter-layer grating coupler based on subwavelength nanostructure, which has efficiency of 6.0 dB and 3 dB bandwidth of 41 nm, for light coupling between layers, 2) 1-to-32 H-tree optical distribution, which has excess loss of 2.2 dB, output uniformity of 0.72 dB and 3 dB bandwidth of 880 GHz, 3) waveguide crossing utilizing index-engineered MMI coupler, which has crossing loss of 0.019 dB, cross talk lower than -40 dB and wide transmission spectrum covering C-band and L-band. The demonstrated integration method and silicon photonic devices can be integrated into the CMOS back-end process for clock distribution and global signaling. / text

The demand for low power wireless transceiver implementations has been fueled by multiple applications in the recent decades, including cellular systems, wireless local area networks, personal area networks, biotelemetry and sensor networks. Dynamic range, which is set by linearity and sensitivity performance, is a critical design metric in many of these systems. Both linearity and sensitivity requirements continue to become progressively challenging in many systems due to greater spectrum usage and the need for high data rates respectively. The objective of this research is to investigate power-efficient circuit techniques for reducing the power requirement in receiver front-ends without compromising the dynamic range performance. In the first part of the dissertation, a low power receiver down-converter topology for enhancing dynamic range performance is presented. Current mode down-converters with passive mixer cores have been shown to provide excellent dynamic range performance. However, in contrast to a current commutating Gilbert cell, these down-converters require separate bias current paths for the RF transconductor and the baseband transimpedance amplifier. The proposed topology reduces the power requirement of conventional current mode passive down-converter by sharing the bias current between the transconductance and transimpedance stages. This is achieved without compromising the available voltage headroom for either stage, which is a limitation of bias-sharing based on the use of stacked stages. The dynamic range of the basic bias-current-shared topology is further enhanced through suppression of low frequency noise and IM3 products. Two variants of the down-converter, employing a broadband common-gate and a narrowband common-source input stage, are implemented in a 0.18-μm CMOS technology. The dynamic range performance of the architecture is analyzed. Finally, a prototype of a full direct-conversion receiver implementation with quadrature outputs and integrated LO synthesis is demonstrated. A power-efficient oscillator design for phase noise minimization is presented in the second part of this dissertation. This design is targeted towards multi-radio platforms where several communication links operate simultaneously over multiple frequency bands. Blockers from concurrently operating radios present a major design challenge. The blockers not only make the frontend linearity requirement more stringent but also degrade receiver sensitivity through reciprocal mixing with the phase noise sidebands of LO. Phase noise minimization is thus critical for ensuring high sensitivity in frequency bands where large blockers are present and not sufficiently attenuated by pre-select filters. A capacitive power combining technique in oscillators is introduced to improve phase noise performance. By combining this approach with current reuse, the phase noise is reduced at lower power, compared to conventional LC oscillators. This leads to improved power efficiency. Moreover, the technique mitigates modeling uncertainty arising from phase noise reduction through simultaneous impedance and current scaling. The mode selection in this oscillator, which employs multiple coupled resonators, is analyzed and the impact of coupling on far-out phase noise performance is discussed. Multi-mode oscillation can potentially arise in other oscillator topologies too, e.g., in multiphase oscillators. Mode selection in a widely used transistor-coupled quadrature oscillator is analyzed in detail in the final part of the dissertation. The analysis shows how cross-compression among multiple competing modes can lead to suppression of non-dominant modes in the steady state. / text

Afin de répondre à la problématique de la régulation multi-objectif et multi-mode des carrefours à feux, nous proposons trois modèles de programmation linéaire mixte en nombres entiers constituant les moteurs d'un système de régulation pleinement adaptatif, ainsi que deux procédures interactives d'optimisation multi-objectif permettant d'adapter itérativement une "politique de régulation" à la situation de trafic. Les critères pris en compte, tous à minimiser, sont le temps d'attente et le nombre d'arrêts des véhicules particuliers, et un critère dédié aux transports en commun permettant de fixer un temps d'attente souhaité pour chaque bus. Des expérimentations ont montré qu'un des trois modèles, dit hybride, se démarque positivement des deux autres. Ce modèle a alors été mis en œuvre avec une des deux procédures interactives, permettant de contrôler un trafic simulé sur une période d'une heure dans différents scénarios types, et comparé à un système de régulation semi-adaptatif.

Lorsqu'un système physique est en fonctionnement, un des objectifs d'une analyse de sûreté est d'être sûr que les variables caractérisant l'état du système suivent une certaine trajectoire ou restent dans une zone donnée compte tenu de toutes les perturbations et les incertitudes sur les paramètres et les mesures du système. Une solution originale pour ce problème est proposée dans ce document à l'aide d'une approche ensembliste qui consiste à calculer l'ensemble des trajectoires possibles générées en présence des perturbations dues à l'environnement du système et à la méconnaissance des modèles du système se traduisant par des incertitudes sur la valeur de certains de ses paramètres. Dans le cas de notre problème, les incertitudes peuvent porter sur les valeurs des paramètres, l'état initial ou les mesures du système. Pour garantir le résultat de l'analyse de sûreté, toutes les trajectoires doivent être envisagées, pour toutes les perturbations et les incertitudes considérées. Pour représenter le comportement d'un système complexe (un système multi mode ou un système non-linéaire), au lieu d'utiliser un modèle avec une structure complexe, une approche standard est de diviser le régime opératoire du système en zones locales est de représenter chaque zone par un modèle linéaire avec une structure simple.On essaie dans ce travail de thèse d'apporter une solution au problème d'identification de systèmes incertains dans un premier temps par un modèle mono-mode et ensuite par un modèle multi-mode pour un objectif d'analyse de sûreté de système. Ce document est constitué de cinq chapitres. Dans le premier chapitre, la problématique du travail est détaillée. Dans le deuxième chapitre, un état de l'arc sur la problématique étudiée est donné. On traite ensuite du problème d'identification et de simulation d'un modèle ensembliste (intervalle) dans le chapitre trois. Pour améliorer la qualité de lé modélisation et augmenter la précision de la prédiction, une approche méthodologique est proposée dans le chapitre quatre pour identifier et pour simuler ce modèle intervalle. Dans le dernier chapitre, une conclusion est apportée sur l'ensemble de ce travail de thèse.

This study develops a systems integration project scheduling model which identifies the assignment of activity responsibilities that minimizes expected project implementation cost, considering the project risk. Assignment of resources to the individual jobs comprising the project is a persistent problem in project management. Mostly, skilled labor is an essential resource and both the time and the cost incurred to perform a job depend on the resource to which job is assigned. A systems integration project includes implementation issues in the areas of shipping, installation, and commissioning. Implementation problems lead to project delays, increased costs, and decreased performance, leading to customer dissatisfaction with the systems integrator. Activities can be performed in one of three ways: by the integrator, by the customer, or jointly between the integrator and customer. In this study we select the performer (mode) of each activity comprising the project network while taking into consideration the varying cost, duration and extreme event probability of each activity among different modes-integrator, joint work and customer. Use of the model will permit customers and integrators to mutually agree on an appropriate assignment of responsibilities in the contract. Systems integrators can also use the model to improve their implementation services offerings. An experimental design and a Monte-Carlo simulation study were conducted to see the effects of the parameters of the problem on the selection of modes.

This thesis addresses several synthesis and optimization issues for embedded control systems. Examples of such systems are automotive and avionics systems in which physical processes are controlled by embedded computers through sensor and actuator interfaces. The execution of multiple control applications, spanning several computation and communication components, leads to a complex temporal behavior that affects control quality. The relationship between system timing and control quality is a key issue to consider across the control design and computer implementation phases in an integrated manner. We present such an integrated framework for scheduling, controller synthesis, and quality optimization for distributed embedded control systems. At runtime, an embedded control system may need to adapt to environmental changes that affect its workload and computational capacity. Examples of such changes, which inherently increase the design complexity, are mode changes, component failures, and resource usages of the running control applications. For these three cases, we present trade-offs among control quality, resource usage, and the time complexity of design and runtime algorithms for embedded control systems. The solutions proposed in this thesis have been validated by extensive experiments. The experimental results demonstrate the efficiency and importance of the presented techniques.