Les modulations multiporteuse (de type OFDM) ont des formes d'onde à fortes fluctuations d'amplitude (PAPR pour Peak-to-Average Power Ratio). Ainsi, de nombreux travaux ont pour objectif de décrire mathématiquement ces fluctuations puis de proposer des solutions visant à les réduire. Parallèlement, les systèmes de télécommunications ont tendance à se diversifier et se complexifier. Ainsi, l'ajout d'une ou plusieurs antennes en émission (MIMO) va modifier la configuration du signal reçu et donc son PAPR. La présence d'un amplificateur non linéaire (LNA) en réception impose alors de quantifier la valeur du PAPR. <br />L'objectif de cette thèse est de décrire le PAPR à la réception en prenant en compte l'influence des modifications du signal : filtrage de mise en forme, transposition RF et canal de propagation. Cette étude a été menée dans des contextes SISO puis MIMO, chacun d'entre eux étant décliné sous les aspects mono puis multiporteuse. Ensuite, deux méthodes de réduction du PAPR ont été proposées.

L'OFDM pour ''Orthogonal Frequency Division Multiplexing'' est une technique de modulation multiporteuses sophistiquée qui a fait ses preuves dans le domaine de la communication sans fil permettant aux technologies actuelles d'atteindre un débit de transmission élevé. Elle est utilisée dans la plupart des standards de communication tels que le DAB, le DVB-T, les réseaux locaux sans fil (WLAN), le WIMAX. Elle est en phase de normalisation dans le LTE (''Long Term Evolution'') pour la future norme de réseau mobile de quatrième génération (4G). L'inconvénient majeur de la modulation OFDM est qu'elle engendre des signaux temporels à fortes variations d'amplitude caractérisée par un PAPR (''Peak-to-Average Power Ratio'') élevé. Cette caractéristique rend les signaux OFDM très sensibles aux non-linéarités des composants analogiques, en particulier celles de l'amplificateur de puissance. L'objectif de cette thèse a consisté à développer et analyser des techniques de réduction du PAPR de type ''ajout de signal'' à compatibilité descendante. Ces techniques ont été développées dans le souci de satisfaire les contraintes (consommation et intégration) d'un système embarqué. Dans cette thèse, nous avons d'abord étudié théoriquement les performances des techniques ''ajout de signal'' dites de ''distorsions, et nous avons ensuite développé deux nouvelles techniques ''ajout de signal'' à compatibilité descendante.

Les modulations multiporteuses apparaissent aujourd'hui comme une technologie éprouvée pour la transmission de données à haut-débits sur des canaux pouvant être très perturbés. L'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) a d'ailleurs été choisie dans plusieurs normes de télécommunications (ADSL, Wi-Max, IEEE 802.11a/g/n, LTE, DVB,...). Cependant un des inconvénients de ce type de modulation est la forte variation de la puissance instantanée à transmettre. Cette propriété rend ces modulations très sensibles aux non-linéarités des composants analogiques, en particulier celles de l'amplificateur de puissance à l'émission. Or l'amplificateur de puissance est un élément déterminant dans une chaîne de communication dans la mesure où il a une influence prépondérante sur le bilan global de la transmission en termes de puissance, de rendement et de distorsion. Plus l'on souhaite que l'impact de ses non linéarités soit faible et plus son rendement est faible, et inversement. Il est donc nécessaire d'effectuer un compromis linéarité/rendement.L'objectif de la thèse est d'éviter cette détérioration du rendement tout en conservant de bonnes performances de linéarité, de surcroit pour des signaux OFDM. Pour ce faire nous proposons d'utiliser conjointement des méthodes de linéarisation (prédistorsion numérique en bande de base) et d'amélioration du rendement (envelope tracking) de l'amplificateur de puissance ainsi qu'une méthode de réduction de la dynamique du signal (active constellation extension). La prédistorsion numérique classique échouant aux fortes puissances, nous proposons une méthode d'amélioration de cette technique à ces puissances. Nos résultats sont validés par des mesures sur un amplificateur de puissance 50W. Nous proposons également une association des méthodes permettant d'améliorer simultanément les performances en terme de linéarité hors bande et de rendement en minimisant les dégradations des performances de taux d'erreur binaire.

Cette thèse se concentre sur l’amélioration conjointe de l'efficacité spectrale et de l'efficacité en puissance de schémas de transmission par satellite. L’émergence de nouveaux services et l'augmentation du nombre d’acteurs dans le domaine nécessitent de disposer de débits de plus en plus importants avec des ressources de plus en plus limitées. Les progrès réalisés ces dernières années sur la technologie embarquée et dans le domaine des communications numériques permettent de considérer des schémas de transmission à plus haute efficacité spectrale et en puissance. Cependant, l’enjeu majeur des schémas de transmission proposes actuellement reste de rentabiliser les ressources disponibles. L’étude développée dans cette thèse explore les possibilités d’amélioration conjointe de l’efficacité spectrale et de l’efficacité en puissance en proposant la combinaison de la modulation Cyclic Code-Shift-Keying (CCSK), dont l’efficacité en puissance augmente avec l’élévation du degré de la modulation, avec une technique de multiplexage par codage de type Code-Division Multiplexing (CDM) pour pallier la dégradation de l’efficacité spectrale liée à l’étalement du spectre induit par la modulation CCSK. Deux approches basées sur l’utilisation de séquences de Gold de longueur N sont définies: Une approche multi-flux avec un décodeur sphérique optimal en réception. La complexité liée à l’optimalité du décodeur conduit à des valeurs d'efficacité spectrale limitées mais l’étude analytique des performances, vérifiée par des simulations, montre une augmentation de l'efficacité en puissance avec l'efficacité spectrale. Une approche mono-flux justifiée par l’apparition de redondance dans les motifs résultant du multiplexage des séquences. L’approche mono-flux propose des valeurs d’efficacité spectrale équivalente aux schémas retenus dans le standard DVB-S2 avec une amélioration de l’efficacité en puissance à partir d’un certain seuil de rapport signal à bruit par rapport à ces schémas. Par la suite, l'étude porte sur la transposition de plusieurs symboles de modulation sur les porteuses d’un système OFDM et sur les bénéfices et avantages d’une telle approche. Elle se conclut sur l’apport d’un codage canal basé sur des codes par bloc non binaires Reed-Solomon et LDPC. La forme d’onde proposée offre des points de fonctionnement à haute efficacité spectrale et haute efficacité en puissance avec des perspectives intéressantes. Dans le contexte actuel, son application reste limitée par ses fluctuations d’amplitude mais est envisageable dans un contexte de transmission multiporteuse, comme attendu dans les années à venir. / This thesis focuses on jointly improving the spectral efficiency and the power efficiency of satellite transmission schemes. The emergence of new services and the increasing number of actors in this field involve higher transmission rates with increasingly limited resources. Recent progress in the embedded technologies and in digital communications offered to consider transmission schemes with higher spectral and power efficiency. Nevertheless, the major current challenge consists in making efficient use of resources. The study developed in this thesis explores the possibilities of jointly improving the spectral and power efficiency by offering a combination of the Cyclic-Code-Shift Keying modulation (CCSK), which power efficiency increases with the degree of modulation, with a multiplexing technique such as Code-Division Multiplexing (CDM) to offset the deterioration on the spectral efficiency due to the spread spectrum induced by CCSK. Two approaches based on the use of Gold sequences of length N are defined : A multi-stream approach with an optimal receiver implemented through sphere decoding. The complexity due to the receiver optimality leads to limited spectral efficiencies but the study of performance, confirmed by simulations, shows an increase in power efficiency with spectral efficiency. A single-stream approach justified by the appearance of redundancy in the patterns following the sequences multiplexing. The single-stream approach offers spectral efficiencies equivalent to the adopted schemes in the DVB-S2 standard, with improved power efficiency from a certain level of signal to noise ratio compared to those schemes. Subsequently, the study focuses on the implementation of several modulation symbols on the subcarriers of an OFDM modulator and the benefits and advantages of such an approach. It concludes with the contribution of channel coding based on nonbinary block codes such as Reed-Solomon and LDPC codes. The proposed waveform offers operating points with high spectral efficiency and high power efficiency with attractive perspectives. In the current context, its application is limited by its amplitude fluctuations but is possible in a multicarrier transmission context, as expected in the years to come.

L'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) garantit un compromis optimal entre la transmission haut débit et la robustesse vis-à-vis des canaux multitrajet avec évanouissement. Ce procédé de modulation présente une forte fluctuation de l'amplitude de son enveloppe complexe avec une augmentation du PAPR (Peak-to-Average Power Ratio). En émission, un PAPR élevé oblige l'amplificateur de puissance (PA) à travailler loin de sa zone de saturation afin que le signal d'entrée ne soit pas trop distordu. Par conséquence, le rendement du PA décroît avec une augmentation de sa consommation. Dans un contexte de portabilité (ressource énergétique limitée), l'utilisation de modulations multiporteuses nécessite d'un traitement afin de minimiser cette consommation. La thèse s'insère alors dans ce contexte d'optimisation de la consommation tout en gardant une très bonne qualité du signal reçu. La méthode de réduction du PAPR dite d'écrêtage plus filtrage a été améliorée en donnant lieu à la nouvelle méthode d'écrêtage inversible. Ce système se compose de l'écrêtage « soft » pour la réduction du PAPR, du filtrage pour une ACPR (Adjacent Channel Power Ratio) acceptable et de l'inversion pour compenser les distorsions dues à l'écrêtage. En présence du canal bruité, l'écrêtage inversible a un gain sur le back-off du PA et donc sur son rendement. Ainsi le gain en consommation a été quantifié à 11% pour les mêmes performances en BER (Bit Error Rate). En outre, une analyse plus approfondie a été réalisée pour l'ACPR et un nouveau paramètre (le N_ACPR) permet de mieux prendre en compte la remontée spectrale des lobes secondaires du spectre de sortie.

It is well known that communication systems employing multiple transmit and multiple receive antennas provide high data rates along with increased reliability. Some of the design criteria of the space-time block codes (STBCs) for multiple input multiple output (MIMO)communication system are that these codes should attain large transmit diversity, high data-rate, low decoding-complexity, low decoding –delay and low peak-to-average power ratio (PAPR). STBCs based on real orthogonal designs (RODs) and complex orthogonal designs (CODs) achieve full transmit diversity and in addition, these codes are single-symbol maximum-likelihood (ML) decodable. It has been observed that the data-rate (in number of information symbols per channel use) of the square CODs falls exponentially with increase in number of antennas and it has led to the construction of rectangular CODs with high rate. We have constructed a class of maximal-rate CODs for n transmit antennas with rate if n is even and if n is odd. The novelty of the above construction is that they 2n+1 are constructed from square CODs. Though these codes have a high rate, this is achieved at the expense of large decoding delay especially when the number of antennas is 5or more. Moreover the rate also converges to half as the number of transmit antennas increases. We give a construction of rate-1/2 CODs with a substantial reduction in decoding delay when compared with the maximal- rate codes. Though there is a significant improvement in the rate of the codes mentioned above when compared with square CODs for the same number of antennas, the decoding delay of these codes is still considerably high. For certain applications, it is desirable to construct codes which are balanced with respect to both rate and decoding delay. To this end, we have constructed high rate and low decoding-delay RODs and CODs from Cayley-Dickson Algebra. Apart from the rate and decoding delay of orthogonal designs, peak-to-average power ratio (PAPR) of STBC is very important from implementation point of view. The standard constructions of square complex orthogonal designs contain a large number of zeros in the matrix result in gin high PAPR. We have given a construction for square complex orthogonal designs with lesser number of zero entries than the known constructions. When a + 1 is a power of 2, we get codes with no zero entries. Further more, we get complex orthogonal designs with no zero entry for any power of 2 antennas by introducing co- ordinate interleaved variables in the design matrix. These codes have significant advantage over the existing codes in term of PAPR. The only sacrifice that is made in the construction of these codes is that the signaling complexity (of these codes) is marginally greater than the existing codes (with zero entries) for some of the entries in the matrix consist of co-ordinate interleaved variables. Also a class of maximal-rate CODs (For mathematical equations pl see the pdf file)

Actualment estem entrant a una nova era de la informació amb gran demanda de sistemes de comunicació sense fils. Nous serveis com dades i video requereixen transmissions fiables d'alta velocitat, fins i tot en escenaris d'alta mobilitat. A més a més, la dificultat d'assignar el limitat espectre radioelèctric juntament amb la necessitat d'incrementar el temps de vida de les bateries dels terminals mòbils, requereix el diseny de transceptors que usin la potència i l'ampla de banda disponibles de manera eficient. Les comunicacions multiportadora basades en OFDM són capaces de satisfer la majoria d'aquests requeriments. Però, entre altres reptes, reduir la sensibilitat a la amplificació no-lineal és un factor clau durant el diseny. En aquesta tesi doctoral s'analitza la sensibilitat dels sistemes multiportadora basats en OFDM a l'amplificació no-lineal i es consideren formes eficients per superar aquest problema. La tesi s'enfoca principalment al problema de reduir les fluctuacions de l'envolupant del senyal transmès. En aquest sentit es presenta també un estudi de les mètriques de l'envolupant del senyal, PAPR i CM. A més a més, basant-nos en l'anàlisis presentat es proposen noves tècniques per sistemes OFDM i MC-SS. Per MC-SS, també es tracta el diseny d'una tècnica de postprocessament en forma de detector multiusuari per canals no-lineals. / Actualmente estamos entrando en una nueva era de la información donde se da una gran demanda de sistemas de comunicación inalámbricos. Nuevos servicios como datos y vídeo requieren transmisiones fiables de alta velocidad, incluso en escenarios de alta movilidad. Además, la dificultad de asignar el limitado espectro radioeléctrico junto con la necesidad de incrementar el tiempo de vida de las baterías de los terminales móviles, requiere el diseño de transceptores que usen eficientemente la potencia y el ancho de banda disponibles. Las comunicaciones multiportadora basadas en OFDM son capaces de satisfacer la mayoría de dichos requerimientos. Sin embargo, entre otros retos, reducir su sensibilidad a la amplificación no-lineal es un factor clave durante el diseño. En esta tesis se analiza la sensibilidad de los sistemas multiportadora basados en OFDM a la amplificación no-lineal y se consideran formas eficientes para superar dicho problema. La tesis se enfoca principalmente al problema de reducir las fluctuaciones de la envolvente. En este sentido también se presenta un estudio de las métricas de la señal, PAPR y CM. Además, basándonos en el análisis presentado se proponen nuevas técnicas para OFDM y MC-SS. Para MC-SS, también se trata el diseño de un detector multiusuario para canales no-lineales. / We are now facing a new information age with high demand of wireless communication systems. New services such as data and video require achieving reliable high-speed transmissions even in high mobility scenarios. Moreover, the difficulty to allocate so many wireless communication systems in the limited frequency band in addition to the demand for long battery life requires designing spectrum and power efficient transceivers. Multicarrier communications based on OFDM are known to fulfill most of the requirements of such systems. However, among other challenges, reducing the sensitivity to nonlinear amplification has become a design key. In this thesis the sensitivity of OFDM-based multicarrier systems to nonlinear amplification is analyzed and efficient ways to overcome this problem are considered. The focus is mainly on the problem of reducing the envelope fluctuations. Therefore, a study of the signal metrics, namely PAPR and CM, is also presented. From the presented analysis, several new techniques for OFDM and MC-SS are proposed. For MC-SS, the design of a post-processing technique in the form of a multiuser detector for nonlinearly distorted MC-SS symbols is also addressed.

Selected mapping (SLM) schemes are commonly employed to reduce the peak-to-average power ratio (PAPR) in orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems. It has been shown that the computational complexity of the traditional SLM scheme can be substantially reduced by adopting conversion vectors obtained by using the inverse fast Fourier transform (IFFT) of the phase rotation vectors in place of the conventional IFFT operations. To ensure that the elements of these phase rotation vectors have an equal magnitude, conversion vectors should have the form of a perfect sequence. This study firstly presents three novel classes of perfect sequence, each of which comprises certain base vectors and their cyclically shifted versions. Three novel low-complexity SLM schemes are then proposed based upon the unique structures of these perfect sequences. It is shown that while the PAPR reduction performances of the proposed schemes are marginally poorer than that of the traditional SLM scheme, the three schemes achieve a substantially lower computational complexity. Since the three proposed PAPR reduction schemes cannot be utilized in the orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) system. A low-complexity scheme for PAPR reduction in OFDMA uplink systems using either an interleaved or a sub-band sub-carrier assignment strategy is also proposed in the second part of this study. The proposed scheme requires just one IFFT operation. The PAPR reduction performance of the proposed scheme is only marginally poorer than that of the traditional SLM scheme. However, the proposed schemes have significantly lower computational complexities. Besides, multiple-input multiple-output (MIMO) OFDM systems with space-frequency block coding (SFBC) are well-known for their robust performance in time selective fading channels. However, SFBC MIMO-OFDM systems have a high computational complexity since the number of IFFTs required scales in direct proportion to the number of antennas at the transmitter. Furthermore, SFBC MIMO-OFDM systems have a high PAPR. Accordingly, a low-complexity PAPR reduction scheme for SFBC MIMO OFDM systems with the Alamouti encoding scheme is proposed in this study. Extending this scheme obtains two low-complexity transmitter architectures for SFBC MIMO-OFDM systems with a general encoding matrix and an arbitrary number of transmitter antennas. The proposed schemes achieve a significant reduction in computational complexity by fully exploiting the time-domain signal properties of the transmitted signal. In addition, a PAPR reduction scheme is presented based on the proposed transmitter schemes. It is shown that the PAPR reduction performance of the proposed scheme is almost as good as that of the traditional SLM scheme, but is achieved with a substantially lower computational complexity.

Les amplificateurs de puissance sont au centre des systèmes actuels de télécommunications. Leur linéarité (pour préserver la qualité des données transmises) et leur rendement énergétique (pour faire des économies d'énergie) sont très importants et constituent les préoccupations majeures des concepteurs. Cependant, ce sont des composants analogiques intrinsèquement non-linéaires et leur utilisation avec des signaux à enveloppes non-constantes génèrent des distorsions à savoir des remontées spectrales hors-bandes et une dégradation du taux d'erreurs. Les signaux OFDM à la base de nombreux standards comme le Wifi, le Wi-Max, la télévision numérique, le LTE, etc. ont de fortes variations de puissance encore appelées PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) qui aggravent ces problèmes de non-linéarité de l'amplificateur et réduit son rendement. Le traitement conjoint des non-linéarités et l'amélioration du rendement de l'amplificateur est l'objectif de cette thèse.Pour cela, l'accent est mis sur une approche conjointe de la linéarisation et de la réduction du PAPR. Ces deux méthodes jusqu'à présent abordées séparément dans la littérature sont en fait complémentaires et interdépendantes. Cela a été prouvé grâce à une étude analytique que nous avons menée. Grâce à l'approche conjointe, on peut simplement les associer, on parle dans ce cas d'approche non-collaborative ou leur permettre en plus d'échanger des informations et de s'adapter l'une par rapport à l'autre et/ou vice versa. Ce dernier cas est l'approche collaborative. Nous avons ensuite proposé des algorithmes d'approche conjointe collaborative basés sur les techniques d'ajout de signal. La réduction du PAPR et la prédistorsion (choisie comme méthode de linéarisation) sont fusionnées sous une seule formulation d'ajout de signal. Un signal additionnel conjoint est alors généré pour à la fois compenser les non-linéarités de l'amplificateur de puissance et réduire la dynamique du signal à amplifier.

* La multiplication des standards de télécommunications fait apparaître la nécessité de disposer de terminaux multistandard et reconfigurables. Ces nouvelles fonctionnalités trouvent leurs réponses dans le domaine de la radio logicielle. De tels terminaux ne sont pas encore réalisables pour des raisons technologiques liées à la complexité nécessaire à leur réalisation (convertisseurs ultra rapides, processeurs reconfigurables, antennes et amplificateurs très large bande, ....). En se basant alors sur une véritable technologie radio logicielle, la radio intelligente va encore plus loin dans la prospective en dotant le terminal de capteurs qui lui permettront de s'adapter et de réagir vis à vis de son environnement. La radio devient alors décentralisée et flexible se détachant de la notion de standards et transmettant de façon opportuniste une communication dans une bande qui aura été détectée comme libre. Cette présentation s'inscrit dans le contexte présenté ci-dessus en se focalisant sur les conséquences de l'amplification de puissance d'un signal multistandard. En effet, l'amplication de puissance est un étage fondamental de tout système radio et certaines précautions doivent être prises avant d'amplifier un signal. En effet, les amplificateurs ont des caractéristiques non linéaires et de faibles rendements nécessitant un traitement du signal à amplifier afin de limiter d'une part les distorsions non linéaires et d'autre part la consommation des terminaux. Les signaux caractérisant les systèmes multistandard ayant des caractéristiques proches de celle d'un signal OFDM (connu pour les problèmes liés à l'amplification de puissance), ce travail apporte des réponses sur : * les niveaux de puissance d'un signal multistandard * les méthodes à développer pour en minimiser les fluctuations de puissance * les conséquences de l'accès opportuniste au spectre sur les fluctuations de puissance dans un contexte de radio intelligente