Une communication est impulsive chaque fois que le signal portant des informations est intermittent dans le temps et que la transmission se produit à rafales. Des exemples du concept impulsife sont : les signaux radio impulsifs, c’est-à-dire des signaux très courts dans le temps; les signaux optiques utilisé dans les systèmes de télécommunications; certains signaux acoustiques et, en particulier, les impulsions produites par le système glottale; les signaux électriques modulés en position d’impulsions; une séquence d’événements dans une file d’attente; les trains de potentiels neuronaux dans le système neuronal. Ce paradigme de transmission est différent des communications continues traditionnelles et la compréhension des communications impulsives est donc essentielle. Afin d’affronter le problème des communications impulsives, le cadre de la recherche doit inclure les aspects suivants : la statistique d’interférence qui suit directement la structure des signaux impulsifs; l’interaction du signal impulsif avec le milieu physique; la possibilité pour les communications impulsives de coder l’information dans la structure temporelle. Cette thèse adresse une partie des questions précédentes et trace des lignes indicatives pour de futures recherches. En particulier, nous avons étudié: un système d'accès multiple où les utilisateurs adoptent des signaux avec étalement de spectre par saut temporel (time-hopping spread spectrum) pour communiquer vers un récepteur commun; un système avec un préfiltre à l'émetteur, et plus précisément un transmit matched filter, également connu comme time reversal dans la littérature de systèmes à bande ultra large; un modèle d'interférence pour des signaux impulsifs. / A communication is impulsive whenever the information-bearing signal is burst-like in time. Examples of the impulsive concept are: impulse-radio signals, that is, wireless signals occurring within short intervals of time; optical signals conveyed by photons; speech signals represented by sound pressure variations; pulse-position modulated electrical signals; a sequence of arrival/departure events in a queue; neural spike trains in the brain. Understanding impulsive communications requires to identify what is peculiar to this transmission paradigm, that is, different from traditional continuous communications.In order to address the problem of understanding impulsive vs. non-impulsive communications, the framework of investigation must include the following aspects: the different interference statistics directly following from the impulsive signal structure; the different interaction of the impulsive signal with the physical medium; the actual possibility for impulsive communications of coding information into the time structure, relaxing the implicit assumption made in continuous transmissions that time is a mere support. This thesis partially addresses a few of the above issues, and draws future lines of investigation. In particular, we studied: multiple access channels where each user adopts time-hopping spread-spectrum; systems using a specific prefilter at the transmitter side, namely the transmit matched filter (also known as time reversal), particularly suited for ultrawide bandwidhts; the distribution function of interference for impulsive systems in several different settings.

Une communication est impulsive chaque fois que le signal portant des informations est intermittent dans le temps et que la transmission se produit à rafales. Des exemples du concept impulsife sont : les signaux radio impulsifs, c’est-à-dire des signaux très courts dans le temps; les signaux optiques utilisé dans les systèmes de télécommunications; certains signaux acoustiques et, en particulier, les impulsions produites par le système glottale; les signaux électriques modulés en position d’impulsions; une séquence d’événements dans une file d’attente; les trains de potentiels neuronaux dans le système neuronal. Ce paradigme de transmission est différent des communications continues traditionnelles et la compréhension des communications impulsives est donc essentielle. Afin d’affronter le problème des communications impulsives, le cadre de la recherche doit inclure les aspects suivants : la statistique d’interférence qui suit directement la structure des signaux impulsifs; l’interaction du signal impulsif avec le milieu physique; la possibilité pour les communications impulsives de coder l’information dans la structure temporelle. Cette thèse adresse une partie des questions précédentes et trace des lignes indicatives pour de futures recherches. En particulier, nous avons étudié: un système d'accès multiple où les utilisateurs adoptent des signaux avec étalement de spectre par saut temporel (time-hopping spread spectrum) pour communiquer vers un récepteur commun; un système avec un préfiltre à l'émetteur, et plus précisément un transmit matched filter, également connu comme time reversal dans la littérature de systèmes à bande ultra large; un modèle d'interférence pour des signaux impulsifs. / A communication is impulsive whenever the information-bearing signal is burst-like in time. Examples of the impulsive concept are: impulse-radio signals, that is, wireless signals occurring within short intervals of time; optical signals conveyed by photons; speech signals represented by sound pressure variations; pulse-position modulated electrical signals; a sequence of arrival/departure events in a queue; neural spike trains in the brain. Understanding impulsive communications requires to identify what is peculiar to this transmission paradigm, that is, different from traditional continuous communications.In order to address the problem of understanding impulsive vs. non-impulsive communications, the framework of investigation must include the following aspects: the different interference statistics directly following from the impulsive signal structure; the different interaction of the impulsive signal with the physical medium; the actual possibility for impulsive communications of coding information into the time structure, relaxing the implicit assumption made in continuous transmissions that time is a mere support. This thesis partially addresses a few of the above issues, and draws future lines of investigation. In particular, we studied: multiple access channels where each user adopts time-hopping spread-spectrum; systems using a specific prefilter at the transmitter side, namely the transmit matched filter (also known as time reversal), particularly suited for ultrawide bandwidhts; the distribution function of interference for impulsive systems in several different settings.

Research in the field of random access protocols for narrow-band systems started as early as the 1970s with the introduction of the ALOHA protocol. From the research done in slotted narrow-band systems, it is well known that contention results in all the packets involved in the contention being unsuccessful. However, it has been shown that in the presence of unequal power levels, ore of the contending packets may be successful. Ibis is a phenomenon called capture. Packet capture has been shown to improve the performance of slotted narrow-band systems. Recently, much work has been done in the analysis of spread-spectrum ALOHA type code-division multiple access (CDMA) protocols. The issue of designing power control techniques to improve the performance of CDMA systems by reducing multiple access interference (MAl) has been a subject of much research. It has been shown that in the presence of power control schemes, the performance of spread-ALOHA CDMA systems is improved. However, it is also widely documented that the design of power control schemes capable of the ideal of compensation of radio propagation techniques is not possible for various reasons, and hence the imperfections in power control. None of the research known to the author has looked at capture in spread-ALOHA systems, and to a greater extent, looked at expressions for the performance of spreadALOHA systems in the presence of capture. In this thesis we introduce spread-ALOHA systems with capture as a manifestation of the imperfections in power control. We propose novel expressions for the computation of the perfonnance ofspread-ALOHA systems with capture. / Thesis (M.Sc.Eng.)-University of KwaZulu-Natal, 2005.

A software GPS receiver is a functional GPS receiver in software. It has several advantages compared to its hardware counterparts. For instance, improvements in receiver architecture as well as GPS system structure can be easily adapted to it. Furthermore, interaction between nearby sensors can be coordinated easily. In this thesis, a SGR (software GPS receiver) is presented from a practical point of view. Major components of the SGR are implemented in Matlab environment. Furthermore, some alternative algorithms are implemented. SGR implementation is considered in two main sections namely a signal processing section and a navigation section. Signal processing section is driven by the raw GPS signal samples obtained from a GPS front-end of NordNavTM R-25 instrument. The conventional and the block adjustment of synchronizing signal (BAAS) processing methods are implemented and their performances are compared in terms of their speed and outputs. Signal processing section outputs raw GPS measurements and navigation data bits. Since the output data length is insufficient in our case, navigation section input is fed from AshtechTM GPS receiver for a moving platform and TrimbleTM GPS Receiver for a stationary platform. Satellite position computation, pseudorange corrections, Kalman filter and LSE (least squares estimation) are implemented in the navigation section. Kalman filter and LSE methods are compared in terms of positioning accuracy for a moving as well as a stationary platform. Results are compared with the commercial GPS outputs. This comparison shows that the software navigation section is equivalent to the commercial GPS in terms of positioning accuracy.

Le travail de recherche présenté dans cette thèse est basé sur l’étude du protocole de communication par satellite appelé « Enhanced Spread Spectrum Aloha » (E-SSA) et créé par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) en 2009. Il s’agit d’une technique qui permet à un terminal d’envoyer des messages courts par satellite de manière totalement asynchrone. L’intérêt est de maximiser l’efficacité spectrale tout en gardant une complexité minimale du terminal grâce aux techniques d’étalement de spectre et d’annulation d’interférences (SIC). Alors qu’au départ le protocole E-SSA avait pour but d’apporter un support physique pour des applications destinées à des terminaux mobiles en bande S, les développements se sont récemment étendus à une gamme de terminaux fixes dans des bandes de fréquence différentes (C, Ku ou Ka). À partir de ces deux modèles d’utilisation de l’E-SSA, ce travail de recherche se concentre sur la mise en place de solutions techniques permettant d’augmenter significativement la capacité globale du système. Cela est possible à travers une optimisation des différents paramètres du protocole et la conception d’algorithmes de gestion des puissances des terminaux. / The work presented in this thesis focuses on the satellite communication protocol named “Enhanced Spread Spectrum Aloha” (E-SSA) and developed in 2009 by the European Space Agency (ESA). The E-SSA structure, based on fully asynchronous random access, perfectly copes with low-duty cycle bursty transmissions adapted to satellite messaging. High performance in terms of spectral efficiency is possible by exploiting iterative successive interference cancellation (SIC) while keeping minimal complexity at the terminal side. If the first exploitation of the protocol concerned mobile applications in S-band, it has been extended to fleets of fixed terminals in other frequency bandwidths (C, Ku or Ka). Starting from these two scenarios, this thesis proposes different innovations to further boost the E-SSA global system capacity. These technical solutions particularly include a fine optimization of protocol parameters and new power control algorithms.

Dans cette thèse, nous étudions dans une première partie l'impact de la contrainte de sécurité en tatouage. Dans le contexte WOA (Watermarked contents Only Attack), un adversaire possède plusieurs contenus tatoués et cherche à estimer la clé secrète d'insertion afin d'accéder aux messages cachés. Une nouvelle manière de tatouer en étalement de spectre est présentée ici. Celle-ci est basée sur la construction de distributions circulaires dans le sous-espace secret de tatouage. Cette technique permet de minimiser la distorsion en moyenne provoquée par l'ajout de la marque dans le contexte WOA en utilisant l'algorithme d'optimisation des Hongrois et la théorie du transport. Nous vérifions ensuite qu'un tatouage sûr est utilisable en pratique en prenant comme exemple le tatouage d'images naturelles. Dans une seconde partie, nous nous intéressons au cadre de l'estampillage d'oe uvres numériques permettant de tracer les redistributeurs de copies illégales. Les codes traçants utilisés sont ceux proposés par Gabor Tardos et sont résistants aux attaques de coalition, c'est-à-dire au groupement d'adversaires mettant en commun leurs contenus numériques afin de forger une version pirate. Puisque les techniques de tatouage permettent l'insertion de codes traçants dans un contenu numérique, nous avons conçu une attaque "au pire cas" qui dépend du niveau de sécurité et qui permet, pour les adversaires, de baisser leur accusation. Nous montrons que pour le cas particulier de l'estampillage un tatouage sûr sera plus efficace qu'un tatouage non-sûr (à robustesse équivalente). Finalement, une implantation des codes traçants dans un contenu vidéo utilisant des méthodes sûres par étalement de spectre est proposée. Nous montrons alors l'efficacité de l'accusation des adversaires dans ce cadre pratique. / In this thesis, we first study the constraint of security in watermarking. In the WOA (Watermarked contents Only Attack) framework, an adversary owns several marked contents and try to estimate the secret key used for embedding in order to have access to the hidden messages. We present a new mean for spread-spectrum watermarking based on circular distributions in the private watermarking subspace. Thanks to this technique, we are able to minimise the distortion (on expectation) caused by the watermark in the WOA framework using the Hungarian optimisation method and the transportation theory. Then, we show that secure watermarking can be used in practical works with the example of still image watermarking. In the second part, we are interested about the problem of active fingerprinting which allows to trace re-distributors of illegal copies of a numerical content. The codes we use here are the ones proposed by Gabor Tardos. These codes are resistant against collusion attacks e.g. a group of malicious users who forges a new content by mixing their copies. Since watermarking techniques allow the embedding of these codes in numerical contents, a new worst case attack taking into account the security level of the watermarking system is proposed to reduce the accusation rate of the coalition. We show that secure watermarking is more efficient that insecure one (with similar robustness) for fingerprinting application. Finally, traitor tracing codes are implemented on video sequences by using spread-spectrum techniques in order to demonstrate that the accusation of adversaries is practically possible.

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:38:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fabio Siqueira Netto.pdf: 2272002 bytes, checksum: 7297f517b86e3947fb245ac2f4a404b0 (MD5) Previous issue date: 2009-08-05 / Fundo Mackenzie de Pesquisa / Spread sprectrum is a modulation technique that uses a binary sequence to spread an information signal in frequency domain. Conventionally, the process of spreading uses pseudo-random sequences created by shift-registers. However, sequences created using chaotic signals can also be employed because they have compatible spectral and autocorrelation properties and their generation is easy. This work compares the pseudo-random sequences generated conventionally and using chaotic signals, which are used in communication systems based on spread spectrum. These comparisons are made in terms of autocorrelation and cross correlation functions, power spectral density estimated, computational complexity of generators and bit error rate. Our results confirm that the pseudo-random sequences created by chaotic signals can be used in spread spectrum systems. However, there is a critical point: the choice of non-linear map and its initial conditions affect their performance. / O espalhamento espectral é uma técnica de modulação que usa uma seqüência binária para espalhar um sinal de informação no domínio da freqüência. Convencionalmente, o processo de espalhamento é realizado por seqüências pseudoaleatórias geradas por registradores de deslocamento. Porém, seqüências criadas a partir de sinais caóticos também podem ser usadas, pois apresentam propriedades espectrais e de autocorrelação compatíveis, podendo ser geradas de forma simples. Este trabalho compara os geradores de seqüências pseudoaleatórias convencionais e baseadas em caos, ambas aplicadas em sistemas de comunicação por espalhamento espectral. Tais comparações são feitas em termos das funções de autocorrelação e correlação cruzada, de estimativas da densidade espectral de potência, da complexidade computacional dos geradores e da taxa de erro de bit. Os resultados desta dissertação ratificam que as seqüências pseudoaleatórias criadas a partir de sinais caóticos podem ser usadas em sistemas de espalhamento espectral. Porém, um ponto crítico do uso de caos em seqüências pseudoaleatórias é a escolha do mapa não-linear e das suas condições iniciais, pois esta escolha influencia o desempenho do sistema.

Abstract In this doctoral thesis, initial code synchronization (i.e., code acquisition) of a direct sequence spread spectrum (DS/SS) system is studied when a smart antenna is used in a receiver. Code synchronization means time synchronization of the used spreading code in the receiver. After an introduction to the topic, a literature review of code acquisition is presented. In addition, a review of the results in the literature under fading, data modulation, Doppler, intentional interference, multiple-access interference, other system interference, and multiple antennas is given. After that, an overview of the smart antennas, especially focusing on digital beamforming and direction-of-arrival (DOA) estimation algorithms is presented. The end part of the thesis concentrates on the author’s own research of the topic. Original articles of this article dissertation have been classified according to their contents into two groups. The first group covers DS/SS code acquisition performance in intentional interference by exploiting how well different beamforming algorithms can eliminate narrowband and wideband interfering signals in the case, where the DOA of the desired signal is known. The obtained results show that most spatial beamforming algorithms are capable of cancelling multiple different types of interfering signals if they are not arriving from the same direction as the desired signal. If angle separation between desired and interfering signals is not sufficient, then more complex methods have to be used. The second group of articles focuses on a theoretical analysis of synchronization probabilities and mean acquisition times. If the DOA of the desired signal is unknown, the whole angular uncertainty region can be divided into small angular cells using beamforming techniques, as is proposed in the literature. Then there is a two-dimensional (delay-angle) acquisition problem. In this thesis, the research work of that area is expanded to cover also advanced beamforming techniques, since they offer increased interference suppression capability. It is shown that the code acquisition performance of the delay-angle method can be improved in some cases by adding a DOA estimator into the system, because it may reduce the number of required angular cells. In addition, such a minimum mean square error (MMSE) beamforming structure is proposed, where only one period of the known pseudo noise spreading code is used as a reference signal. The method was shown to have better acquisition performance than the delay-angle method has, since MMSE beamforming does not need DOA information. However, in this thesis, such a method was not found which outperforms the rest of the methods in all scenarios. / Tiivistelmä Tässä väitöstyössä tutkitaan suorahajotushajaspektrijärjestelmän (DS/SS, direct sequence spread spectrum) koodisynkronoinnin etsintävaihetta, kun vastaanottimessa käytetään älyantennia. Koodisynkronoinnilla tarkoitetaan järjestelmän käyttämän hajotuskoodin ajastuksen synkronointia vastaanottimessa. Johdannon jälkeen esitetään kirjallisuuskatsaus koodisynkronointiin sekä tuodaan esille kirjallisuudesta löytyviä tutkimustuloksia aihepiiristä seuraavissa tilanteissa: häipyvä kanava, Doppler-ilmiö, tahallinen häirintä, monikäyttöhäiriö, muiden järjestelmien aiheuttama häiriö sekä moniantennijärjestelmät. Tämän jälkeen esitetään yleiskatsaus älyantenneihin kohdistuen erityisesti digitaalisiin keilanmuodostus- sekä suuntaestimointialgoritmeihin. Työn loppuosa keskittyy kirjoittajan omaan tutkimukseen aiheesta. Tämän nippuväitöskirjan alkuperäiset artikkelit on luokiteltu kahteen ryhmään niiden sisältöön perustuen. Ensimmäinen ryhmä käsittelee DS/SS-järjestelmän koodisynkronoinnin etsintävaiheen suorituskykyä tahallisessa häirinnässä tutkimalla, miten hyvin erilaiset keilanmuodostusalgoritmit kykenevät poistamaan kapea- ja leveäkaistaisia häirintäsignaaleja tilanteessa, jossa hyötysignaalin tulosuunta tiedetään. Tutkimustulokset osoittavat, että monet tilatason keilanmuodostusalgoritmit kykenevät poistamaan useita erityyppisiä häirintäsignaaleita, jos ne eivät saavu hyötysignaalin kanssa samasta suunnasta. Mikäli kulmaero hyöty- ja häirintäsignaalien välillä ei ole riittävä, joudutaan käyttämään rakenteeltaan monimutkaisempia menetelmiä. Toinen ryhmä artikkeleita keskittyy synkronointiin liittyvien todennäköisyyksien ja keskimääräisen etsintäajan teoreettiseen analyysiin. Jos hyötysignaalin tulosuunta on tuntematon, voidaan kulmaepävarmuusalue jakaa pieniin kulmasoluihin käyttäen keilanmuodostustekniikoita, kuten kirjallisuudessa esitetään. Tällöin kyseessä on kaksiulotteinen (viive-kulma) etsintäongelma. Tässä työssä kyseistä tutkimusaihetta laajennetaan koskemaan myös edistyneet keilanmuodostusmenetelmät, koska ne tarjoavat parantuneen häiriönvaimennuskyvyn. Työssä osoitetaan, että viive-kulma menetelmän suorituskykyä voidaan parantaa joissakin tilanteissa lisäämällä järjestelmään suuntaestimaattori, koska se saattaa vähentää tarvittavien kulmasolujen lukumäärää. Lisäksi tutkitaan sellaista pienimmän keskineliövirheen (MMSE, minimum mean square error) keilanmuodostusmenetelmää, jossa ainoastaan yhtä hajotuskoodin koodijaksoa käytetään opetukseen. Kyseisellä menetelmällä todettiin olevan parempi suorituskyky kuin viive-kulma etsinnällä, koska MMSE-menetelmä ei tarvitse suuntainformaatiota. Tässä työssä ei kuitenkaan löydetty yhtä sellaista menetelmää, jonka suorituskyky on muita parempi kaikissa tilanteissa.

Le but de cette thèse est l'étude et la mise en oeuvre d'un système de localisation sous-marine compact et simple à mettre en place pour une utilisation en zones portuaires, côtières et environnements peu profonds. Nous proposons un système SBL (Small Distance Baseline) avec un nombre réduit de transducteurs (une balise d'émission et deux hydrophones). La configuration géométrique du système étant contraignante (hydrophones proches) la précision du positionnement obtenue par les méthodes classiques est faible. Nous proposons une nouvelle méthode de localisation améliorant la précision. La balise à localiser émet un signal à étalement de spectre. La différence de distance entre les trajets des signaux des hydrophones est mesurée par corrélation. Nous proposons deux boucles de poursuites pour l'estimation conjointe de la fréquence Doppler et du délai entre les signaux reçus. Ces techniques de poursuite basées sur un filtre de Kalman sont implémentées en boucle fermée et ouverte. Les observations TDOA (Time Difference Of Arrival) conduisent à utiliser une technique de localisation hyperbolique. Nous proposons une représentation statistique qui exploite la géométrie de notre système de mesure pour déterminer une zone de localisation probable autour de chaque hyperbole. En utilisant des positions de bateau successives, on construit une densité de probabilité dont le maximum définit la position de la balise. On montre sur données synthétiquesque pour un bruit de mesure réaliste, il est possible de déterminer la position de la balise avec une précision submétrique. Les expérimentations réelles confirment la faisabilité du système et la précision obtenue est dans ce cas métrique. / The purpose of that thesis work is the research and implementation of a compact and simple underwater localization system that aim to be used in ports, coastal areas and other low-depth environments. Our system is SBL (Small Distance Baseline), with a small number of transceivers (only one emitter and two hydrophones). Due to the system's geometric configuration not being optimal (both hydrophones are close to one another), the precision obtained using classical approaches is poor. We therefore propose a new localization approach that will improve it. The emitter we wish to localize emit a spread spectrum signal. The time difference of arrival (TDOA) between the two hydrophones is then determined using correlations methods. We propose in our work two tracking loops that will estimate both the delay and the doppler frequency between the signals. Using a Kalman filter , those methods are implemented respectively in open and close loop. From each TDOA measurement, we can calculatea hyperbolic area of possible emitter location. We thus use a statistical model which takes into account the local geometry of our measurements system in order to create a probable localization area around each hyperbole. By using the measurements at several different boat positions, we create a probability density whose maximum will be centered around the emitter's position. We show that, on simulated data, it is possible to localize the beacon with a precision beneath a meter with a realistic noise level. Experimental work and real data collection confirm that the method can in that context achieve the same result with a precision of a few meters.

In this work is presented technique for embedding digital watermark in digital audio signals. Digital watermark must be imperceptible and should be robust against attacks and other types of distortion. Algorithm is implemented for embedding digital watermark using technique spread-spectrum and psychoacoustic model ISO-MPEG I layer I. Robustness was tested for filtering signal, MP3 compression and resample method.