abstract: Magnetic Resonance Imaging (MRI) is limited in speed and resolution by the inherently low Signal to Noise Ratio (SNR) of the underlying signal. Advances in sampling efficiency are required to support future improvements in scan time and resolution. SNR efficiency is improved by sampling data for a larger proportion of total imaging time. This is challenging as these acquisitions are typically subject to artifacts such as blurring and distortions. The current work proposes a set of tools to help with the creation of different types of SNR efficient scans. An SNR efficient pulse sequence providing diffusion imaging data with full brain coverage and minimal distortion is first introduced. The proposed method acquires single-shot, low resolution image slabs which are then combined to reconstruct the full volume. An iterative deblurring algorithm allowing the lengthening of spiral SPoiled GRadient echo (SPGR) acquisition windows in the presence of rapidly varying off-resonance fields is then presented. Finally, an efficient and practical way of collecting 3D reformatted data is proposed. This method constitutes a good tradeoff between 2D and 3D neuroimaging in terms of scan time and data presentation. These schemes increased the SNR efficiency of currently existing methods and constitute key enablers for the development of SNR efficient MRI. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Electrical Engineering 2011

The purpose of this paper is to study the possibilities of the OFDM system adaptive modulation. The study presents mechanism for acquiring the necessary data of every frequency subchannel using pilot signals and application of these data for system adjustment. The paper introduces the water-filling principle for subchannel power allocation on the basis of their SNR and adaptive modulation mechanisms for variety of OFDM usage. These mechanisms are implemented into a MATLAB model. The code is then transformed into graphical representation and using USRP2, the signal is transmitted by real world channel.

No / A proposed method for cancelling or reducing the effect of the transmitted power within the transceiver MIMO unit is investigated and discussed using a feedback signal process between the elements. Several parameters including the level of feedback power mismatch, the transmitted power and the received power are considered in this work to test the performance of the system in term of the bit error rate (BER) versus signal to noise ratio (SNR). A new software programme using MATLAB is implemented to evaluate the proposed method. The results showed that the performances of the system are heavily dependent on the amount of the transmitted power, the received power, and the mismatch in the feedback component.

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We are interested in measuring the in situ antenna performance in analog land mobile radio (LMR) FM systems. The gain (efficiency and directivity) and self-impedance of an antenna sufficiently characterize its performance and a number of traditional methods exist to measure these quantities. However it is hard to do antenna gain measurements using these methods. Furthermore, it turns out that volumetric antenna gain measurements are not quite relevant for understanding in situ performance. In this thesis, we present a novel approach for directly measuring the in situ performance of antennas in analog LMR systems. The procedure involves receiving an FM signal simultaneously using the antenna under test (AUT) and a reference antenna. Both received signals are demodulated to audio using separate but identical receivers. Then a convenient method for characterizing the audio signal quality is to analyze the private line (PL) tone. The PL tone signal-to-noise ratio (SNR) is calculated by measuring the power of the tone relative to the sub-audio noise power. The PL tone SNR for both antenna systems is compared as it provides a ``bottom line'' evaluation of the antenna performance. The audio SNR can also be mapped to RF SNR using a theoretical method. From simulation and experimental studies, we conclude that the RF SNR estimated using this technique is within 0.5 dB of the actual value for RF SNR values between +3 and +36 dB. Finally, we demonstrate this procedure in actual in situ LMR antenna measurements. / Master of Science

One of the fundamental hurdles in realizing new spectrum sharing allocation policies is that of reliable spectrum sensing. In this thesis, three research thrusts are presented in order to further research in this critical area. The first of these research thrusts is the development of a novel asynchronous and noncoherent modulation classifier for PSK/QAM modulated signals in flat-fading channels. In developing this classifier, a novel estimator for the unknown channel gain and fractional time delay is proposed which uses a method-of-moments based estimation approach. For the second research thrust of this thesis, the developed method-of-moments based estimation approach is extended to estimate the signal-to-noise ratio of PSK/QAM modulated signals in flat-fading channels, in which no a priori knowledge of the modulation format and channel parameters is assumed. Finally, in the third research thrust, a distributed spectrum sensing approach is proposed in which a network of radios collaboratively detects the presence, as well as the modulation scheme, of a signal through the use of a combination of cyclic spectrum feature-based signal classification and an iterative algorithm for optimal data fusion. / Master of Science

Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η μελέτη τεχνικών κατανεμημένου προσανατολισμού σε πραγματικές συνθήκες. Πιο συγκεκριμένα σε αυτά στα συστήματα θεωρείται ότι ο κόμβος-πομπός δεν έχει καλή σύνδεση με το δέκτη και κατά συνέπεια δεν μπορεί να επικοινωνήσει απευθείας με τον κόμβο-δέκτη χωρίς δραματική αύξηση της ενέργειας μετάδοσης. Παρόλα αυτά η χρήση κατανεμημένου προσανατολισμού δίνει τη δυνατότητα να βελτιωθεί σημαντικά η κατανάλωση ενέργειας. Το σχήμα που θα χρησιμοποιηθεί είναι ενίσχυση και προώθηση (AF) 2 βημάτων, με το οποίο οι συνεργατικοί κόμβοι απλώς ενισχύουν και στην συνέχεια επαναμεταδίδουν το μήνυμα. Συνεπώς, ζητούμενο είναι η εύρεση των μιγαδικών βαρών με τα οποία πρέπει ο κάθε συνεργαζόμενος κόμβος χωριστά να ενισχύσει το σήμα. Οι τεχνικές που θα χρησιμοποιηθούν έχουν ως κριτήρια την ελαχιστοποίηση της ενέργειας μετάδοσης με ταυτόχρονη ικανοποίηση του SNR, μεγιστοποίηση του SNR με περιορισμένη ολική ενέργεια μετάδοσης και μεγιστοποίηση του SNR με περιορισμένη ενέργεια μετάδοσης ανά συνεργαζόμενο κόμβο. Το πρώτο κριτήριο θα εξεταστεί, επίσης, και σε συστήματα με πολλαπλούς πομπούς και δέκτες. Λόγω της φύσης του προβλήματος, ο κατανεμημένος προσανατολισμός αναμένεται να έχει μεγάλη απήχηση σε συστήματα με πολλούς διασκορπιστές και εμπόδια, όπως σε ένα αστικό περιβάλλον, και, επομένως, είναι λογικό να θεωρηθεί ότι τα κανάλια του συστήματος είναι Rayleigh, δηλαδή ασυσχέτιστα χωρίς οπτική επαφή (LOS). Για να προσομοιωθεί το σύστημα σε πραγματικές συνθήκες οι μέθοδοι που θα υλοποιήσουμε στην εργασία χρησιμοποιούν τα στατιστικά του καναλιού. Επιπλέον, η εκτίμηση καναλιού εφόσον θεωρούμε ότι έχουμε Gaussian λευκό θόρυβο θα γίνει με την χρήση του βέλτιστου γραμμικού εκτιμητή (BLUE). Η επίδραση της εκτίμησης του καναλιού θα μελετηθεί για δύο περιπτώσεις: με αμοιβαία και χωρίς αμοιβαία κανάλια. / The purpose of this thesis is the study of methods of distributed beamforming under real circumstances. More specifically, these systems are considered that the transmitter must increase tremendously the required transmit energy to communicate with the receiver. However the use of the distributed beamforming allows the system to improve the energy consumption. The scheme that is used from relays is amplify and forward of two steps, where the relays only amplify and then forward the message to the destination. That is, the purpose is to find the complex weights to be used by the corresponding relay so as to amplify the message of the transmitter. The methods that are implemented have as criterions the minimization of transmit energy while satisfying the SNR, maximization of SNR while limiting the system's transmit energy and maximization of SNR while limiting transmit energy of each relay individually. The first criterion is also studied at systems with more than one pair transmitter-receiver. Due to the nature of the problem, distributed beamforming is expected to be used at environments with many obstacles and scatterers, like urban environment, and so it is rationale to suppose that the channels should be Rayleigh, meaning uncorrelated without line of sight. To simulate the system under real circumstances the methods that we will implement shall use the second order statistics of the channels. Moreover, due to Gaussian white noise, channels are estimated using the Best Linear Unbiased Estimator. The impact of channel estimation is studied in two cases: "reciprocal" and "not reciprocal".

Cette thèse apporte des solutions théoriques et pratiques à deux problèmes soulevés par la photographie numérique en présence de mouvement, et par la photographie infrarouge. La photographie d'objets en mouvement semblait ne pouvoir se faire qu'avec des temps d'exposition très courts, jusqu'à ce que deux travaux révolutionnaires proposent deux nouveaux types de caméra permettant un temps d'exposition arbitraire. Le flutter shutter de Agrawal et al. crée en effet un flou inversible, grâce à un obturateur aux séquences d'ouverture-fermeture bie{\it n choisies. Le motion invariant photography de Levin et al. obtient ce même effet avec une accélération constante de la caméra. Les deux méthodes suivent ainsi un nouveau paradigme, la computational photography, selon lequel les caméras sont repensées, car elles incluent un traitement numérique sophistiqué. Cette thèse propose une méthode pour évaluer la qualité image des nouvelles caméras. Le fil conducteur de l'analyse est donc l'évaluation du SNR (signal to noise ratio) de l'image obtenue après déconvolution. La théorie fournit des formules explicites pour le SNR, soulève deux paradoxes de ces caméras, et les résout. Elle permet d'obtenir le modèle de mouvement sous-jacent à chaque flutter shutter, notamment tous ceux qui sont brevetés. Une seconde partie plus brève aborde le problème de qualité principal en imagerie vidéo infrarouge, la non-uniformité. Il s'agit d'un bruit évolutif et structuré en colonnes causé par le capteur. La conclusion des travaux est qu'il est non seulement possible mais également efficace et robuste d'effectuer la correction sur une seule image. Cela permet de contourner le problème récurrent des "ghost artifacts"résultant d'une incohérence du traitement par rapport au modèle d'acquisition. / This thesis provides theoretical and practical solutions to two problems raised by digital photography of moving scenes, and infrared photography. Until recently photographing moving objects could only be done using short exposure times. Yet, two recent groundbreaking works have proposed two new designs of camera allowing arbitrary exposure times. The flutter shutter of Agrawal et al. creates an invertible motion blur by using a clever shutter technique to interrupt the photon flux during the exposure time according to a well chosen binary sequence. The motion-invariant photography of Levin et al. gets the same result by accelerating the camera at a constant rate. Both methods follow computational photography as a new paradigm. The conception of cameras is rethought to include sophisticated digital processing. This thesis proposes a method for evaluating the image quality of these new cameras. The leitmotiv of the analysis is the SNR (signal to noise ratio) of the image after deconvolution. It gives the efficiency of these new camera design in terms of image quality. The theory provides explicit formulas for the SNR. It raises two paradoxes of these cameras, and resolves them. It provides the underlying motion model of each flutter shutter, including patented ones. A shorter second part addresses the the main quality problem in infrared video imaging, the non-uniformity. This perturbation is a time-dependent noise caused by the infrared sensor, structured in columns. The conclusion of this work is that it is not only possible but also efficient and robust to perform the correction on a single image. This permits to ensure the absence of ``ghost artifacts'', a classic of the literature on the subject, coming from inadequate processing relative to the acquisition model.

Mes travaux de thèse portent sur l’application de l’imagerie fUS (functional ultrasound imaging) à l’imagerie cérébrale préclinique chez le petit animal. Le but était de transformer cette technique d’imagerie cérébrale récente en un véritable outil de quantification de l’état cérébral. Les objectifs principaux ont été de démontrer la faisabilité de l’imagerie fUS chez le petit animal non anesthésié ainsi que de passer du modèle rat au modèle souris - modèle de choix en imagerie préclinique en neurosciences - de surcroît de façon non invasive. J’ai tout d’abord mis au point une nouvelle séquence d’imagerie ultrasonore ultrarapide (Multiplane Wave imaging), permettant d’améliorer le rapport signal-à-bruit des images grâce à l’augmentation virtuelle de l’amplitude du signal émis, sans diminuer la cadence ultrarapide d’acquisition. Dans un deuxième temps j’ai démontré la possibilité d’imager le cerveau de la souris et du jeune rat anesthésiés par échographie Doppler ultrarapide, de manière transcrânienne et complètement non invasive, sans chirurgie ni injection d’agents de contraste. J’ai ensuite mis au point un montage expérimental, une séquence ultrasonore et un protocole expérimental permettant de réaliser de l’imagerie fUS de manière minimalement invasive chez des souris éveillées et libres de leurs mouvements. Enfin, j’ai démontré la possibilité d’utiliser le fUS pour étudier la connectivité fonctionnelle du cerveau au repos (sans stimulus) chez des souris éveillées ou sédatées. L’imagerie fUS et la combinaison « modèle souris » + « minimalement invasif » + « animal éveillé » + « connectivité fonctionnelle » constituent un outil précieux pour la communauté des neuroscientifiques travaillant sur des modèles animaux pathologiques ou de nouvelles molécules pharmacologiques / My work focuses on the application of fUS (functional ultrasound) imaging to preclinical brain imaging in small animals. The goal of my thesis was to turn this recent vascular brain imaging technique into a quantifying tool for cerebral state. The main objectives were to demonstrate the feasibility of fUS imaging in the non-anaesthetized small rodents and to move from rat model imaging to mouse model imaging –most used model for preclinical studies in neuroscience-, while developing the least invasive imaging protocols. First, I have developed a new ultrafast ultrasonic imaging sequence (Multiplane Wave imaging), improving the image signal-to-noise ratio by virtually increasing emitted signal amplitude, without reducing the ultrafast framerate. Then, I have demonstrated the possibility to use ultrafast Doppler ultrasound imaging to image both the mouse brain and the young rat brain, non-invasively and through the intact skull, without surgery or contrast agents injection. Next, I have developed an experimental setup, an ultrasound sequence and an experimental protocol to perform minimally invasive fUS imaging in awake and freely-moving mice. Finally, I have demonstrated the possibility to use fUS imaging to study the functional connectivity of the brain in a resting state in awake or sedated mice, still in a transcranial and minimally invasive way. fUS imaging and the combination of "mouse model" + "minimally invasive" + "awake animal" + "functional connectivity" represent a very promising tool for the neuroscientist community working on pathological animal models or new pharmacological molecules

La réflectométrie GNSS (ou GNSS-R) est une technique de télédétection originale et pportuniste qui consiste à analyser les ondes électromagnétiques émises en continu par la soixantaine de satellites des systèmes de positionnement GNSS (GPS, GLONASS, etc.), qui sont captées par une antenne après réflexion sur la surface terrestre. Ces signaux interagissent avec la surface réfléchissante et contiennent donc des informations sur ses propriétés. Au niveau de l'antenne, les ondes réfléchies interfèrent avec celles arrivant directement des satellites. Ces interférences sont particulièrement visibles dans le rapport signal-sur-bruit (SNR, i.e., Signal-to-Noise Ratio), paramètre enregistré par une station GNSS classique. Il est ainsi possible d'inverser les séries temporelles du SNR pour estimer des caractéristiques du milieu réfléchissant. Si la faisabilité et l'intérêt de cette méthode ne sont plus à démontrer, la mise en oeuvre de cette technique pose un certain nombre de problèmes, à savoir quelles précisions et résolutions spatio-temporelles peuvent être atteintes, et par conséquent, quels sont les observables géophysiques accessibles. Mon travail de thèse a pour objectif d'apporter des éléments de réponse sur ce point, et est axé sur le développement méthodologique et l'exploitation géophysique des mesures de SNR réalisées par des stations GNSS classiques. Je me suis focalisé sur l'estimation des variations de hauteur de l'antenne par rapport à la surface réfléchissante (altimétrie) et de l'humidité du sol en domaine continental. La méthode d'inversion des mesures SNR que je propose a été appliquée avec succès pour déterminer les variations locales de : (1) la hauteur de la mer au voisinage du phare de Cordouan du 3 mars au 31 mai 2013 où les ondes de marées et la houle ont pu être parfaitement identifiées ; et (2) l'humidité du sol dans un champ agricole à proximité de Toulouse, du 5 février au 15 mars 2014. Ma méthode permet de s'affranchir de certaines restrictions imposées jusqu'à présent dans les travaux antérieurs, où la vitesse de variation verticale de la surface de réflexion était supposée négligeable. De plus, j'ai développé un simulateur qui m'a permis de tester l'influence de nombreux paramètres (troposphère, angle d'élévation du satellite, hauteur d'antenne, relief local, etc.) sur la trajectoire des ondes réfléchies et donc sur la position des points de réflexion. Mon travail de thèse montre que le GNSS-R est une alternative performante et un complément non négligeable aux techniques de mesure actuelles, en faisant le lien entre les différentes résolutions temporelles et spatiales actuellement atteintes par les outils classiques (sondes, radar, diffusiomètres, etc.). Cette technique offre l'avantage majeur d'être basé sur un réseau de satellites déjà en place et pérenne, et est applicable à n'importe quelle station GNSS géodésique, notamment celles des réseaux permanents (e.g., le RGP français). Ainsi, en installant une chaîne de traitement de ces acquisitions de SNR en domaine côtier, il serait possible d'utiliser les mesures continues des centaines de stations pré-existantes, et d'envisager de réaliser des mesures altimétriques à l'échelle locale, ou de mesurer l'humidité du sol pour les antennes situées à l'intérieur des terres. / GNSS reflectometry (or GNSS-R) is an original and opportunistic remote sensing technique based on the analysis of the electromagnetic waves continuously emitted by GNSS positioning systems satellites (GPS, GLONASS, etc.) that are captured by an antenna after reflection on the Earth's surface. These signals interact with the reflective surface and hence contain information about its properties. When they reach the antenna, the reflected waves interfere with those coming directly from the satellites. This interference is particularly visible in the signal-to-noise ratio (SNR) parameter recorded by conventional GNSS stations. It is thus possible to reverse the SNR time series to estimate the reflective surface characteristics. If the feasibility and usefulness of thismethod are well established, the implementation of this technique poses a number of issues. Namely the spatio-temporal accuracies and resolutions that can be achieved and thus what geophysical observables are accessible.The aim of my PhD research work is to provide some answers on this point, focusing on the methodological development and geophysical exploitation of the SNR measurements performed by conventional GNSS stations. I focused on the estimation of variations in the antenna height relative to the reflecting surface (altimetry) and on the soil moisture in continental areas. The SNR data inversion method that I propose has been successfully applied to determine local variations of : (1) the sea level near the Cordouan lighthouse (not far from Bordeaux, France) from March 3 to May 31, 2013, where the main tidal periods and waves have been clearly identified ; and (2) the soil moisture in an agricultural plot near Toulouse, France, from February 5 to March 15, 2014. My method eliminates some restrictions imposed in earlier work, where the velocity of the vertical variation of the reflective surface was assumed to be negligible. Furthermore, I developed a simulator that allowed me to assess the influence of several parameters (troposphere, satellite elevation angle, antenna height, local relief, etc.) on the path of the reflected waves and hence on the position of the reflection points. My work shows that GNSS-R is a powerful alternative and a significant complement to the current measurement techniques, establishing a link between the different temporal and spatial resolutions currently achieved by conventional tools (sensors, radar, scatterometer, etc.). This technique offers the major advantage of being based on already-developed and sustainable satellites networks, and can be applied to any GNSS geodetic station, including permanent networks (e.g., the French RGP). Therefore, by installing a processing chain of these SNR acquisitions, data from hundreds of pre-existing stations could be used to make local altimetry measurements in coastal areas or to estimate soil moisture for inland antennas.