abstract: As the demand for wireless systems increases exponentially, it has become necessary for different wireless modalities, like radar and communication systems, to share the available bandwidth. One approach to realize coexistence successfully is for each system to adopt a transmit waveform with a unique nonlinear time-varying phase function. At the receiver of the system of interest, the waveform received for process- ing may still suffer from low signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) due to the presence of the waveforms that are matched to the other coexisting systems. This thesis uses a time-frequency based approach to increase the SINR of a system by estimating the unique nonlinear instantaneous frequency (IF) of the waveform matched to the system. Specifically, the IF is estimated using the synchrosqueezing transform, a highly localized time-frequency representation that also enables reconstruction of individual waveform components. As the IF estimate is biased, modified versions of the transform are investigated to obtain estimators that are both unbiased and also matched to the unique nonlinear phase function of a given waveform. Simulations using transmit waveforms of coexisting wireless systems are provided to demonstrate the performance of the proposed approach using both biased and unbiased IF estimators. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Electrical Engineering 2018

De nombreux signaux physiques incluant des signaux audio (musique, parole), médicaux (ECG, PCG), de mammifères marins ou d'ondes gravitationnelles peuvent être modélisés comme une superposition d'ondes modulées en amplitude et en fréquence (modes AM-FM), appelés signaux multicomposantes (SMCs). L'analyse temps-fréquence (TF) joue un rôle central pour la caractérisation de tels signaux et, dans ce cadre, diverses méthodes ont été développées au cours de la dernière décennie. Néanmoins, ces méthodes souffrent d'une limitation intrinsèque appelée le principe d'incertitude. Dans ce contexte, la méthode de réallocation (MR) a été développée visant à améliorer les représentations TF (RTFs) données respectivement par la transformée de Fourier à court terme (TFCT) et la transformée en ondelette continue (TOC), en les concentrant autour des lignes de crête correspondant aux fréquences instantanées. Malheureusement, elle ne permet pas de reconstruction des modes, contrairement à sa variante récente connue sous le nom de transformée synchrosqueezée (TSS). Toutefois, de nombreux problèmes associés à cette dernière restent encore à traiter tels que le traitement des fortes modulations en fréquence, la reconstruction des modes d'un SMC à partir de sa TFCT sous-échantillonnée or l'estimation des signatures TF de modes irréguliers et discontinus. Cette thèse traite principalement de tels problèmes afin de construire des nouvelles méthodes TF inversibles plus puissantes et précises pour l'analyse des SMCs.Cette thèse offre six nouvelles contributions précieuses. La première contribution introduit une extension de TSS d'ordre deux appliqué à la TOC ainsi qu'une discussion sur son analyse théorique et sa mise en œuvre pratique. La seconde contribution propose une généralisation des techniques de synchrosqueezing construites sur la TFCT, connue sous le nom de transformée synchrosqueezée d'ordre supérieur (FTSSn), qui permet de mieux traiter une large gamme de SMCs. La troisième contribution propose une nouvelle technique utilisant sur la transformée synchrosqueezée appliquée à la TFCT de second ordre (FTSS2) et une procédure de démodulation, appelée DTSS2, conduisant à une meilleure performance de la reconstruction des modes. La quatrième contribution est celle d'une nouvelle approche permettant la récupération des modes d'un SMC à partir de sa TFCT sous-échantillonnée. La cinquième contribution présente une technique améliorée, appelée calcul de représentation des contours adaptatifs (CRCA), utilisée pour une estimation efficace des signatures TF d'une plus grande classe de SMCs. La dernière contribution est celle d'une analyse conjointe entre l'CRCA et la factorisation matricielle non-négative (FMN) pour un débruitage performant des signaux phonocardiogrammes (PCG). / Many physical signals including audio (music, speech), medical data (ECG, PCG), marine mammals or gravitational-waves can be accurately modeled as a superposition of amplitude and frequency-modulated waves (AM-FM modes), called multicomponent signals (MCSs). Time-frequency (TF) analysis plays a central role in characterizing such signals and in that framework, numerous methods have been proposed over the last decade. However, these methods suffer from an intrinsic limitation known as the uncertainty principle. In this regard, reassignment method (RM) was developed with the purpose of sharpening TF representations (TFRs) given respectively by the short-time Fourier transform (STFT) or the continuous wavelet transform (CWT). Unfortunately, it did not allow for mode reconstruction, in opposition to its recent variant known as synchrosqueezing transforms (SST). Nevertheless, many critical problems associated with the latter still remain to be addressed such as the weak frequency modulation condition, the mode retrieval of an MCS from its downsampled STFT or the TF signature estimation of irregular and discontinuous signals. This dissertation mainly deals with such problems in order to provide more powerful and accurate invertible TF methods for analyzing MCSs.This dissertation gives six valuable contributions. The first one introduces a second-order extension of wavelet-based SST along with a discussion on its theoretical analysis and practical implementation. The second one puts forward a generalization of existing STFT-based synchrosqueezing techniques known as the high-order STFT-based SST (FSSTn) that enables to better handle a wide range of MCSs. The third one proposes a new technique established on the second-order STFT-based SST (FSST2) and demodulation procedure, called demodulation-FSST2-based technique (DSST2), enabling a better performance of mode reconstruction. The fourth contribution is that of a novel approach allowing for the retrieval of modes of an MCS from its downsampled STFT. The fifth one presents an improved method developed in the reassignment framework, called adaptive contour representation computation (ACRC), for an efficient estimation of TF signatures of a larger class of MCSs. The last contribution is that of a joint analysis of ACRC with non-negative matrix factorization (NMF) to enable an effective denoising of phonocardiogram (PCG) signals.

Cette dernière décennie a vu un certain nombre d'avancées significatives en mathématiques, en apprentissage computationnel et en traitement de signal, qui n'ont pas encore été pleinement exploitées en neurosciences. En particulier, l'évaluation de la connectivité dans les réseaux neuronaux peut grandement bénéficier de ces travaux. Nous proposons ici d'exploiter ces outils pour combler partiellement le fossé considérable qui existe encore entre la recherche connectomique à grande échelle (largement centrée sur des mesures indirectes de l'activité cérébrale comme l'Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)) et les mesures physiologiques plus directes de l'activité cérébrale. Il est particulièrement important de combler ce fossé pour l'étude des propriétés physiologiques associées à divers états de conscience normaux et anormaux, notamment les troubles psychiatriques, le sommeil, l'anesthésie ou les états induits par les drogues. Les travaux récents sur l'induction d'états de conscience altérés par des agonistes non sélectifs de la sérotonine, tels que la psilocybine et le Diéthyllysergamide (LSD), en sont de bons exemples. Au cours des cinq dernières années, une résurgence rapide de la recherche sur la neurobiologie des tryptamines psychédéliques s'est produite, après une interruption d'un demi-siècle. Bien que ces substances présentent un grand potentiel pour éclairer des aspects jusqu'ici non interrogés du fonctionnement normal et anormal du cerveau, l'ampleur et le caractère inhabituel des changements qu'elles provoquent posent de sérieux défis aux chercheurs. La découverte de méthodes convaincantes et évolutives pour étudier ces données est d'une grande importance si nous voulons tirer parti de la fenêtre unique que ces substances atypiques offrent sur les aspects centraux de la conscience et des fonctions cérébrales anormales. Dans la présente thèse, nous résumons l'état actuel de la neuro-imagerie électrophysiologique en ce qui concerne l'étude des tryptamines psychédéliques, et nous démontrons un certain nombre de lacunes évidentes dans la recherche électrophysiologique actuelle sur les psychédéliques. Nous offrons également quelques modestes contributions méthodologiques au domaine. L'utilité de ces contributions est soutenue par quelques résultats empiriques intrigants, bien que préliminaires. Dans le premier chapitre, nous présentons l'histoire de la recherche neuroscientifique sur le LSD. Il a été rapporté que le LSD induit des déplacements de pics dans les spectres de puissance, en même temps que des diminutions de l'amplitude des pics. Le fait que ces effets soient liés entre eux et que la plupart des recherches menées jusqu'à présent n'aient pas cherché à les distinguer est uniformément négligé dans la littérature, ce qui, selon nous, peut conduire à de fausses interprétations. Le chapitre 2 examine certains des avantages plausibles ainsi que les obstacles sérieux à la recherche sur la connectivité du cerveau entier par magnétoencéphalographie (MEG), et propose plusieurs stratégies pour surmonter ces limites méthodologiques. Celles-ci comprennent des stratégies d'imagerie de source convaincantes, des développements nouveaux et récents dans la décomposition spectrale, des mesures de connectivité insensibles à la conduction volumique, et des implémentations évolutives de métriques de couplage interfréquence bien établies. Nous montrons que ces techniques peuvent être étendues à une grille corticale et sous-corticale de plus haute résolution que celle qui existe actuellement. Nous discutons également d'une mise en œuvre allégée de statistiques non paramétriques adaptées à ces données. Le troisième chapitre a pour but de démontrer l'efficacité de ces procédures, en montrant les résultats empiriques d'une étude de la connectivité du cerveau entier sous LSD par MEG. Le quatrième et dernier chapitre discute de ces résultats, ainsi que des précautions nécessaires et des orientations futures prometteuses pour ce type de recherche. Il propose des approches computationnelles supplémentaires qui pourraient étendre la portée de ces recherches et, plus généralement, de l'électrophysiologie du cerveau entier. Dans l'ensemble, le cadre méthodologique proposé dans ce travail surmonte les limitations endémiques précédentes, non seulement dans la recherche sur les psychédéliques, mais aussi dans la recherche électrophysiologique en général, et jette une lumière nouvelle sur sur les mécanismes centraux qui sous-tendent ces états de conscience anormaux, ainsi que sur les importantes précautions à prendre dans la recherche électrophysiologique. / The past decade has seen a number of significant advances in mathematics, computational learning, and signal processing, which have yet to be deployed in neuroscience. In particular the assessment of connectivity in neural networks has much to gain from this work. Here we propose these tools be leveraged to partially bridge the considerable gap that still exists between large-scale connectomics research (largely centered around indirect measures of brain activity such as fMRI), and more direct, physiological measures of brain activity. Bridging this gap is especially important to the study of physiological properties associated with various normal and abnormal states of consciousness including Psychiatric conditions, sleep, anaesthesia or drug-induced states. Exemplary of such research, is recent work surrounding the induction of altered states of consciousness by non-selective serotonin agonists such as Psilocybin and LSD. During the past five years, a rapid resurgence of research into the neurobiology of Psychedelic tryptamines has transpired, following a half-century hiatus. While these substances hold great potential to illuminate hitherto uninterrogated aspects of normal and abnormal brain function, the scope and unusual character of the changes they illicit pose serious challenges to researchers. Uncovering cogent and scalable methods for investigating such data is a matter of great importance if we are to leverage the unique window such atypical substances provide into central aspects of consciousness and abnormal brain function. In the present thesis, we summarize the current state of electrophysiological neuroimaging as it pertains to the study of Psychedelic tryptamines, and demonstrate a number of clear shortcomings in current electrophysiological research on Psychedelics. We also offer some modest methodological contributions to the field. The utility of these contributions is supported by some intriguing, albeit preliminary, empirical findings. In the first chapter, we present the history of neuroscientific research on LSD. LSD has been reported to induce peak shifts in power spectra, alongside decreases in peak amplitude. The fact that these effects are inter-related and most research so far has not sought to disambiguate them is uniformly overlooked in the literature, which we believe may lead to false interpretations. Chapter Two discusses some of the plausible advantages as well as serious barriers to whole-brain connectivity research in MEG, proposing several strategies to overcome these methodological limitations. These include cogent source imaging strategies, novel and recent developments in spectral decomposition, connectivity measures insensitive to volume conduction, and scalable implementations of well-established cross-frequency coupling metrics. We show that these techniques can be extended to a higher resolution cortical and subcortical grid than previously shown. We also discuss a lightweight implementation of non-parametric statistics suitable to such data. Chapter Three serves to demonstrate the efficacy of these procedures, showing empirical results from a whole-brain study of connectivity under LSD in MEG. The fourth and final chapter discusses these results, as well as necessary precautions and promising future directions for this kind of research. It proposes additional computational approaches that might extend the scope of such research and whole-brain electrophysiology more generally. Taken together, the methodological framework proposed in this work overcomes previous limitations endemic not only in Psychedelics research, but electrophysiological research broadly, and sheds new light on central mechanisms underlying these abnormal states of consciousness, as well as important precautions in electrophysiological research.