Les communications numériques à haut débit exigent toujours plus de fiabilité et de performance et ce dans un environnement souvent hostile. Le développement de technologies toujours de plus en plus performantes pour les communications sans fil est donc de mise et nos intérêts sont particulièrement orientés vers la transmission par voie hertzienne de l'information à haut débit. Il existe plusieurs solutions qui peuvent être envisagées pour parer aux multiples problèmes rencontrés au niveau du lien radio, particulièrement la propagation par trajets multiples, l'interférence entre usagers et autres. L'antenne intelligente ou adaptative s'avère d'une utilité évidente lorsque vient le temps de faire une discrimination spatiale des signaux reçus. L'antenne intelligente est essentiellement une antenne réseau qui, par le biais d'une boucle de rétroaction, asservit son diagramme de rayonnement en temps réel et ce en optimisant un ou des critères tels que le rapport signal à bruit, le rapport signal à interférence, etc. Plusieurs facteurs affectent la performance de cette antenne adaptative et plus particulièrement l'espacement des antennes formant le réseau, la technique de traitement de signal utilisée, la corrélation des données ainsi que les interférences toujours présentes dans un environnement à large bande. La bande EHF (Extremely High Frequency) est particulièrement convoitée pour ce type d'application et réfère dans ce cas-ci aux fréquences au-dessus de 30 GHz. Pour cette partie du spectre électromagnétique où les caractéristiques de propagation sont particulièrement difficiles, des largeurs de bande considérables sont toutefois disponibles. Les travaux dont il est question ici font partie intégrante d'un projet qui consiste en la conception et la réalisation d'une antenne intelligente à bande de fréquences étendue fonctionnant en ondes millimétriques. Celle-ci sera très certainement un élément fondamental d'un système de communications robuste aux perturbations, interférences et autres. Ainsi, le système dans son ensemble pourra assurer un service de qualité à de multiples usagers tout en maintenant un rapport coût vs rendement optimal. L'ensemble des développements et technologies de pointe est considéré lors de la conception afin de développer un produit pouvant servir à des applications telles que les réseaux locaux sans fil, la distribution vidéo et les radars. Notre projet a consisté à concevoir et à mettre au point la partie radiofréquence de l'antenne comprenant les éléments rayonnants formant le réseau ainsi que le répartiteur de faisceaux. Une revue de la littérature scientifique nous a permis de constater que très peu de réalisations de ce genre à l'aide de lignes microruban en ondes millimétriques existent à ce jour. Une méthode de modélisation analytique de la matrice de Butler est d'abord proposée et une étude de sensibilité de cette matrice a été menée afin de mieux comprendre l'effet des imperfections des coupleurs hybrides formant le réseau sur la performance finale de l'antenne. Plusieurs composants microruban (coupleurs hybrides, coupleurs 0 dB, éléments rayonnants et autres) ont aussi été réalisés et testés individuellement pour parvenir à la réalisation du répartiteur de faisceaux ainsi que l'antenne à faisceaux multiples. Le répartiteur de faisceaux est une matrice de Butler et c'est sous ses formes 4 x 4 et 8 x 8 qu'elle a été réalisée et testée. En terminant, un survol des technologies alternatives est fait en vue d'améliorer les prototypes obtenus. / There is a growing need for broadband wireless communications and the requirements in terms of reliability as well as performance are high. These Systems have to deal with a hostile propagation environment and this context makes the development of the latest technologies of wireless communications on the highest priorities of the designers. Multipath propagation, inter-user interference, and imperfections of the communication equipment are among the most severe perturbations encountered throughout the signal path. A smart antenna is certainly a key component of such a system and its ability to adapt its spatial response is definitively a good solution, which can be used to mitigate ail these impairments. The smart antenna (also known as intelligent or adaptive array) is an antenna array which, by way of a feedback loop, adapts its radiation pattern in real time in order to optimize a criteria such as the signal to noise ratio, the signal to interference ratio or the minimum mean squared error of the received signal. The performance of this antenna is affected by the correlation between the signals at the antenna elements, the algorithm used for the adaptation, and the unavoidable interference usually present in such a broadband environment. The EHF (Extremely High Frequency) band is under the current scope of possible frequencies that may be used for the 4th generation of wireless communication Systems. The EHF band frequencies exceed 30 GHz and this means wavelengths in the order of a few millimeters. Large frequency bandwidths are available for this band at the expense of a significantly more difficult propagation. An ambitious project which consists in the design and realization of a wideband millimeter-wave smart antenna is currently underway and the work presented here is a part of it. This antenna will definitely be a fondamental element of a communication system achieving a good performance even though the wireless link is affected by ail kinds of channel induced perturbations. The achieved system will be able to provide an improved link quality to its multiple users by using the latest technological enhancements. Possible applications of this concept include wireless local area networks and video distribution. The RF section of this smart antenna comprising the antenna elements used to make the array, the array itself as well as the beamforming network has been designed and physically realized. As concluded after an intensive literature survey, realizations of this kind at millimeter waves are scarce and a lot a work has to be done to build components for this application. An analytical modeling method applicable to the Butler matrix as well as other beamforming networks has been derived and described. This tool was then used to conduct a sensitivity analysis of the Butler matrix and see how the performance of its constituting components is modifying the properties of the generated beams. Many microstrip components such as hybrid couplers, 0 dB couplers, and antennas operating at 36 GHz were designed and realized. Finally, two variations of the 4x 4 Butler matrix and one 8x 8 Butler matrix were designed and realized. An overview of possible alternatives which should be considered in order to improve the performance of the obtained networks is also made.

L'objectif de ce projet est de concevoir et d'optimiser un système radio-sur-fibre, basé sur OFDM, incluant un nouveau beamformer optique avec une capacité de déplacer les points nuls appropriés pour les réseaux locaux sans fil. Dans le premier chapitre, nous présentons les définitions et les connaissances nécessaires à la compréhension du présent mémoire. Nous introduisons le concept de manipulation de phase et de délai dans le but d'orienter un faisceau. Nous expliquons l'idée générale derrière la formation de faisceau électrique et optique, le concept de beamformer et quelques-uns de ses avantages pour les systèmes de communication sans fil avancés. Comme démonstration expérimentale de la formation de faisceau, nous avons fait le design et fabriqué un réseau d'antennes à l'aide de technologie à microstrip. Dans le second chapitre, nous présentons la procédure du design à un élément, la technique d'adaptation d'impédance et certains éléments additionnels qu'il est nécessaires de considérer lors de la fabrication du réseau d'antennes. Dans le troisième chapitre, nous étudions les diverses techniques de la formation de faisceau. Nous débutons par présenter les avantages et les désavantages des méthodes déjà existantes. Par la suite, le coeur du projet, qui concerne le contrôle indépendant de l'amplitude et de la phase de chaque canal, est introduit. La description du design et la comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux démontrent la faisabilité du système. Également, l'impact de ces filtres optiques sur la qualité du signal transmis est étudié. Dans ce mémoire, nous avons considéré le format de modulation IEEE 802.11 comme étant le plus sophistiqué et celui le plus couramment utilisé dans le domaine des réseaux locaux sans fil. Dans le dernier chapitre, nous présentons des résultats de patrons de radiation mesurés, obtenus en combinant le beamformer au réseau d'antennes dans un lien de radio-sur-fibre optimisé. Une discussion concernant les avantages, les désavantages et les travaux futurs permettant d'améliorer ce prototype concluront ce mémoire. / The objective of this research is to implement an optimized OFDM-based radio-over-fiber system including a novel optical null-steering beamformer well-suited for wireless-local-area-network applications. In the first chapter we provide definitions and background that we will need in presenting our research results. We introduce delay and phase manipulations for steering the beam di-rection. We explain the general idea behind electrical and optical beamformers. We introduce the concept of null-steering beamformer and some of its capabilities in advanced wire-less systems. For the experimental demonstration of the null-steering beamforming, we have fabricated a phased-array-antenna using microstrip technology. In the second chapter, we discuss the design procedure for a single element radiator, its matching technique and introduce related considerations to array fabrication. In the third chapter, we study optical beamforming techniques. First, we review some previously proposed ideas in this area, their advantages and disadvantages. Then, the heart of this optical null-steering beamformer, the independent control over the phase and amplitude for each channel, is introduced. By describing the method of design and its evolution and then by comparing the simulation and measurement results, we demonstrate the feasibility of this system. The impact of these optical filters on the transmitted signal quality is studied. We consider the IEEE 802.11 as one the most sophisticated modulation formats commonly used for wireless-local-area-network applications. In the last chapter, we show the pattern measurement results obtained by combining the null-steering beamformer to the phased-array-antenna in an optimized radio-over-fiber link. A discussion about the advantages, disadvantages and future possible efforts for improving this prototype will conclude the results that we have obtained.

Tableau d'honneur de la FÉSP / La Formule SAE (Society of Automotive Engineers) est une compétition étudiante consistant en la conception et la fabrication d'une voiture de course monoplace. De nombreux événements sont organisés à chaque année au cours desquels plusieurs universités rivalisent entre elles lors d'épreuves dynamiques et statiques. Celles-ci comprennent l'évaluation de la conception, l'évaluation des coûts de fabrication, l'accélération de la voiture, etc. Avec plus de 500 universités participantes et des événements annuels sur tous les continents, il s'agit de la plus importante compétition d'ingénierie étudiante au monde. L'équipe ULaval Racing a participé pendant plus de 20 ans aux compétitions annuelles réservées aux voitures à combustion. Afin de s'adapter à l'électrification des transports et aux nouvelles compétitions destinées aux voitures électriques, l'équipe a conçu et fabriqué une chaîne de traction électrique haute performance destinée à leur voiture 2015. L'approche traditionnelle employée pour concevoir une motorisation électrique consiste à imposer les performances désirées. Ces critères comprennent l'inclinaison maximale que la voiture doit pouvoir gravir, l'autonomie désirée ainsi qu'un profil de vitesse en fonction du temps, ou tout simplement un cycle routier. Cette approche n'est malheureusement pas appropriée pour la conception d'une traction électrique pour une voiture de type Formule SAE. Ce véhicule n'étant pas destiné à la conduite urbaine ou à la conduite sur autoroute, les cycles routiers existants ne sont pas représentatifs des conditions d'opération du bolide à concevoir. Ainsi, la réalisation de ce projet a nécessité l'identification du cycle d'opération routier sur lequel le véhicule doit opérer. Il sert de point de départ à la conception de la chaîne de traction composée des moteurs, de la batterie ainsi que des onduleurs de tension. L'utilisation d'une méthode de dimensionnement du système basée sur un algorithme d'optimisation génétique, suivie d'une optimisation locale couplée à une analyse par éléments-finis a permis l'obtention d'une solution optimale pour les circuits de type Formule SAE. La chaîne de traction conçue a été fabriquée et intégrée dans un prototype de voiture de l'équipe ULaval Racing lors de la saison 2015 afin de participer à diverses compétitions de voitures électriques. / The Formula SAE (Society of Automotive Engineers) is a student engineering competition for which students design, build and race a single-seater racing car. Multiple events are organized every year during which the teams can compete against other universities. With more than 500 teams participating worldwide, it is the biggest student engineering competition in the world. The tests include the evaluation of the design, production costs, acceleration of the car, etc. The ULaval Racing team participated during more than 20 years at the annual Michigan competition reserved for internal combustion racecars. In order to adapt to the electrification of transportation and to the new competitions reserved for electric cars, the team designed and manufactured a high performance electric powertrain for their 2015 car. The traditional approach used to design an electric powertrain is to set the desired performances of the vehicle. These criteria include the maximum incline that the car must be able to climb, the desired range and a speed profile over time, also known as road cycle. Unfortunately, this approach is not suitable for the design of an electric powertrain for use in a Formula SAE racecar. Since this type of vehicle is not intended for city driving nor highway driving, the existing road cycles are not representative of the expected operating conditions. The realization of this project required the identification of the road cycle on which the vehicle will operate. It is used as a starting point for the design of the powertrain, which includes the electric motors, the battery pack and the power inverters. The use of a genetic optimization algorithm, followed by a local optimization coupled to a finite element analysis tool yielded an optimal solution suitable for the Formula SAE type race tracks. The drivetrain was designed, manufactured and integrated into the 2015 ULaval Racing vehicle. The car participated in various competitions intended for electric racecars and received multiple awards for its inovative design and its performance.

La compréhension de situations complexes s'avère de plus en plus nécessaire, notamment dans les domaines militaires. En réponse à cette demande, le projet IMAGE, en cours à Recherche et Développement pour la Défense Canada - Valcartier, vise à développer un environnement interactif offrant des outils logiciels aidant à augmenter la vitesse et le niveau de compréhension de l'humain dans de telles situations. Il regroupe quatre grands modules : Scénarisation, Simulation, Exploration et Représentation. Le projet présenté dans ce mémoire a trait au développement d'un prototype pour la partie Exploration, qui regroupe principalement des outils de visualisation. Cette plateforme servira à des expérimentations en psychologie cognitive visant à mesurer l'augmentation de la compréhension offerte par ces outils. L'humain étant au centre de l'environnement développé, certaines théories qui lui sont reliées, touchant notamment la psychologie cognitive, les interfaces personne-machine ainsi que la visualisation d'information, sont d'abord présentées. Une revue de diverses plateformes logicielles existantes, susceptibles d'offrir des fonctionnalités intéressantes pour l'implémentation, est également effectuée. Suite à une évaluation plus approfondie des outils retenus ainsi que plusieurs tests avec ces derniers, une première problématique, ayant trait au transfert de multiples flots de données XML partant du module Simulation vers le module Exploration, est alors abordée; la création de l'application ImageDataServer s'ensuit, faisant usage du framework ACE pour la gestion de multiples connexions et le traitement de données en parallèle. Suite à cette réalisation, des premiers jets de représentations visuelles, basés sur un scénario tactique de convoi militaire, sont développés à partir des données de simulation de ce scénario transférées vers Eye-Sys, une application de visualisation générique. Une scène 3D montrant l'évolution spatiale et temporelle ainsi que les interactions entre les agents de la simulation, véhicules militaires, explosifs et insurgés, y est mise en action grâce à des données provenant d'une base de données MySQL. La vue est également synchronisée à une application de simulation interactive, Multichronia, servant de point de contrôle principal pour l'utilisateur. Une évaluation des performances du système et une discussion sur divers aspects de développement complètent ce mémoire.

Le développement des spectromètres par transformée de Fourier (FTS) a connu un essor important en bénéficiant de l'attention de nombreux groupes de recherche à travers le monde depuis les années 1960 (bien que cet instrument existait déjà bien avant), résultant dans la connaissance approfondie que nous en avons aujourd'hui. Dans les années 1990 et 2000, l'augmentation grandissante des performances des caméras à intégration (de type «charge-coupled device» (CCD) ou autre) a permis la croissance accélérée de la technologie FTS imageur, combinant ainsi l'information spatiale à l'information spectrale, et ouvrant la porte à de nouvelles applications pour cet instrument de pointe. Mise à part la quantité phénoménale de données produite par un tel instrument, certains aspects fondamentaux de l'appareil, bien caractérisés pour les instruments mono-pixel, méritent une nouvelle analyse lorsqu'un détecteur de type intégrateur est utilisé. Ce mémoire de maîtrise se concentre sur l'un de ces éléments : la minimisation de la gigue d'échantillonnage des données acquises en présence de perturbations mécaniques. Cette gigue étant principalement due aux variations de vitesse du chariot du miroir en mouvement dans l'instrument, la qualité de l'information de position et de vitesse est tout d'abord améliorée afin d'obtenir un estimé plus précis de l'état du chariot. Puis, sur la base de cette connaissance fiable, deux approches générales sont analysées. Dans un premier temps, une approche de réduction de la gigue d'échantillonnage a priori (soit avant l'intégration intrinsèque à l'acquisition avec une caméra) est abordée et les performances de trois méthodes de génération des instants d'échantillonnage sont comparées, à la fois en simulation et via leur implantation dans un système réel. Dans un deuxième temps, deux algorithmes de ré-échantillonnage sont utilisés afin de corriger la grille d'échantillonnage a posteriori, soit avec la connaissance de la position d'échantillonnage du signal telle qu'estimée par le laser de référence. Pour terminer, l'analyse combinée des résultats fait ressortir la meilleure approche globale et les ressources technologiques requises pour l'implémenter.

Dans la littérature, les réseaux de Bragg intégrés sur silicium sont relativement simples par rapport à leurs contreparties fibrées. Cependant, la fabrication de réseaux plus élaborés permettrait d’améliorer la capacité de traitement du signal des circuits sur silicium. Cette thèse s’attarde donc aux difficultés encourues lors de la conception, de la fabrication et de la caractérisation de réseaux de Bragg sur silicium ayant une réponse spectrale élaborée. Tout d'abord, afin de caractériser la réponse spectrale complexe des réseaux, l’utilisation de filtrage temporel est proposée afin de supprimer les réflexions parasites. Cela a permis d’utiliser des algorithmes de reconstruction fournissant une caractérisation complète de ces structures. De plus, l’ajout d’un filtrage des hautes fréquences spatiales a permis de réduire considérablement le bruit des mesures. Par la suite, les principales sources de distorsions de la réponse spectrale des réseaux ont été identifiées, soit la rugosité des guides et la variation de leur épaisseur. L’impact de ces phénomènes a été étudié numériquement et analytiquement et, pour la première fois, la longueur de corrélation de ces sources de bruit a été caractérisée expérimentalement sur une longueur suffisante. Finalement, deux techniques permettant de diminuer l’impact de ces phénomènes ont été proposées, ce qui a permis de fabriquer les réseaux de Bragg sur silicium ayant la plus petite largeur de bande publiée à ce jour. Également, nous avons fait les premières démonstrations d’apodisation de réseaux de Bragg utilisant uniquement la phase de ces derniers (c.-à-d. apodisation en phase et par superposition). Contrairement aux techniques déjà proposées, ces dernières ont l'avantage de ne pas introduire de distorsions de l'indice effectif, ils sont plus robuste aux erreurs de fabrication et sont compatibles avec l’apodisation de réseaux à corrugations de très petites amplitudes. Finalement, afin d'augmenter la longueur des réseaux tout en gardant leur dimension compatible avec la taille des puces de silicium, les réseaux ont été courbés en forme de spirale compacte. Pour ce faire, la période des réseaux a été modifiée afin de compenser l'effet de la courbure sur l'indice effectif. Ainsi, nous avons démontré que des réseaux de 2 mm de long pouvaient être intégrés sur une surface de 200 µm x 190 µm sans ajout de dégradation spectrale et, surtout, sans restriction sur la structure du design. Ces résultats sont significatifs, car un contrôle précis de la phase et de l’amplitude des réseaux combinés avec la capacité de fabriquer de réseaux longs sont nécessaire afin de réaliser des filtres optiques intégrés avec des réponses spectrales élaborées. Ainsi, le travail présenté dans cette thèse ouvre la porte à de nouveaux designs à base de réseaux de Bragg. / In the literature, integrated Bragg gratings in Silicon-on-Insulator are relatively simple compared to their fibre Bragg grating counterpart. However, elaborate gratings could improve the signal processing capability of the silicon platform. Thus, this thesis addresses the issues that prevent the design, the fabrication and the characterization of Bragg gratings having elaborate spectral response in the silicon platform. Firstly, in order to precisely characterize Bragg gratings complex spectral response, we proposed to suppress parasitic reflections using temporal filtering. The results obtained with measurement technique, when used with an integral layer peeling algorithm, allowed us to retrieve the amplitude and phase profiles of the grating thus providing a complete characterization of the structure. Moreover, the addition of a low-pass spatial filter allowed improving the characterization process by reducing the measurement noise. Secondly, the main sources of distortion of Bragg gratings spectral response have been identified to be the sidewall roughness and the wafer height fluctuation. An exhaustive study of the impact of these phenomena has been done both numerically and analytically. Furthermore, for the first time, the autocorrelation of these noise sources has been characterized experimentally on a sufficient length. Finally, improvements in the waveguide designs have reduced significantly these effects which allowed the fabrication of Bragg gratings in silicon with the smallest bandwidth published to date. Thirdly, the first demonstration of apodized Bragg gratings using only phase modulation of the structure has been done (i.e. phase apodisation and superposition apodisation). Unlike already published techniques, the later ones have the advantage to be robust to deep-UV lithography and fabrication errors. Furthermore, they do no introduce distortions into the grating phase profile and they are compatible with gratings having small recesses. Finally, in order to increase the grating length while keeping their dimension compatible with the silicon chip size, we proposed to bend them in a compact spiral shape. To do this properly, the curvature impact on the effective index has been modeled and compensated successfully by modifying the grating period. Thus, we have shown that 2 mm long gratings can be integrated on a surface of 200 µm x 190 µm without the addition of spectral degradation and without restrictions on the design structure. These results are of importance because longer grating structures with weaker coupling coefficients and a precise control both on its phase and amplitude are required in order to achieve integrated optical filters with elaborate spectral responses. Thus, we believe that the work presented in this thesis open the door to many new grating-based optical filter designs compatible with integrated optics technologies.

Avec les grands développements des technologies de communication sans fil, les réseaux de capteurs sans fil (WSN) ont attiré beaucoup d’attention dans le monde entier au cours de la dernière décennie. Les réseaux de capteurs sans fil sont maintenant utilisés pour a surveillance sanitaire, la gestion des catastrophes, la défense, les télécommunications, etc. De tels réseaux sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles et commerciales comme la surveillance des processus industriels et de l’environnement, etc. Un réseau WSN est une collection de transducteurs spécialisés connus sous le nom de noeuds de capteurs avec une liaison de communication distribuée de manière aléatoire dans tous les emplacements pour surveiller les paramètres. Chaque noeud de capteur est équipé d’un transducteur, d’un processeur de signal, d’une unité d’alimentation et d’un émetteur-récepteur. Les WSN sont maintenant largement utilisés dans l’industrie minière souterraine pour surveiller certains paramètres environnementaux, comme la quantité de gaz, d’eau, la température, l’humidité, le niveau d’oxygène, de poussière, etc. Dans le cas de la surveillance de l’environnement, un WSN peut être remplacé de manière équivalente par un réseau à relais à entrées et sorties multiples (MIMO). Les réseaux de relais multisauts ont attiré un intérêt de recherche important ces derniers temps grâce à leur capacité à augmenter la portée de la couverture. La liaison de communication réseau d’une source vers une destination est mise en oeuvre en utilisant un schéma d’amplification/transmission (AF) ou de décodage/transfert (DF). Le relais AF reçoit des informations du relais précédent et amplifie simplement le signal reçu, puis il le transmet au relais suivant. D’autre part, le relais DF décode d’abord le signal reçu, puis il le transmet au relais suivant au deuxième étage s’il peut parfaitement décoder le signal entrant. En raison de la simplicité analytique, dans cette thèse, nous considérons le schéma de relais AF et les résultats de ce travail peuvent également être développés pour le relais DF. La conception d’un émetteur/récepteur pour le relais MIMO multisauts est très difficile. Car à l’étape de relais L, il y a 2L canaux possibles. Donc, pour un réseau à grande échelle, il n’est pas économique d’envoyer un signal par tous les liens possibles. Au lieu de cela, nous pouvons trouver le meilleur chemin de la source à la destination qui donne le rapport signal sur bruit (SNR) de bout en bout le plus élevé. Nous pouvons minimiser la fonction objectif d’erreur quadratique moyenne (MSE) ou de taux d’erreur binaire (BER) en envoyant le signal utilisant le chemin sélectionné. L’ensemble de relais dans le chemin reste actif et le reste des relais s’éteint, ce qui permet d’économiser de l’énergie afin d’améliorer la durée de vie du réseau. Le meilleur chemin de transmission de signal a été étudié dans la littérature pour un relais MIMO à deux bonds mais est plus complexe pour un ... / With the great developments in wireless communication technologies, Wireless Sensor Networks (WSNs) have gained attention worldwide in the past decade and are now being used in health monitoring, disaster management, defense, telecommunications, etc. Such networks are used in many industrial and consumer applications such as industrial process and environment monitoring, among others. A WSN network is a collection of specialized transducers known as sensor nodes with a communication link distributed randomly in any locations to monitor environmental parameters such as water level, and temperature. Each sensor node is equipped with a transducer, a signal processor, a power unit, and a transceiver. WSNs are now being widely used in the underground mining industry to monitor environmental parameters, including the amount of gas, water, temperature, humidity, oxygen level, dust, etc. The WSN for environment monitoring can be equivalently replaced by a multiple-input multiple-output (MIMO) relay network. Multi-hop relay networks have attracted significant research interest in recent years for their capability in increasing the coverage range. The network communication link from a source to a destination is implemented using the amplify-and-forward (AF) or decode-and-forward (DF) schemes. The AF relay receives information from the previous relay and simply amplifies the received signal and then forwards it to the next relay. On the other hand, the DF relay first decodes the received signal and then forwards it to the next relay in the second stage if it can perfectly decode the incoming signal. For analytical simplicity, in this thesis, we consider the AF relaying scheme and the results of this work can also be developed for the DF relay. The transceiver design for multi-hop MIMO relay is very challenging. This is because at the L-th relay stage, there are 2L possible channels. So, for a large scale network, it is not economical to send the signal through all possible links. Instead, we can find the best path from source-to-destination that gives the highest end-to-end signal-to-noise ratio (SNR). We can minimize the mean square error (MSE) or bit error rate (BER) objective function by sending the signal using the selected path. The set of relay in the path remains active and the rest of the relays are turned off which can save power to enhance network life-time. The best path signal transmission has been carried out in the literature for 2-hop MIMO relay and for multiple relaying it becomes very complex. In the first part of this thesis, we propose an optimal best path finding algorithm at perfect channel state information (CSI). We consider a parallel multi-hop multiple-input multiple-output (MIMO) AF relay system where a linear minimum mean-squared error (MMSE) receiver is used at the destination. We simplify the parallel network into equivalent series multi-hop MIMO relay link using best relaying, where the best relay ...

Cette thèse aborde le problème d’estimation des paramètres de signaux d’usagers radio-mobile par traitement avec antenne-réseau. On adopte une approche de traitement théorique rigoureuse au problème en tentant de pallier aux limitations et désavantages des méthodes d’estimation existantes en ce domaine. Les chapitres principaux ont été rédigés en couvrant uniquement les aspects théoriques en lien aux contributions principales, tout en présentant une revue de littérature adéquate sur les sujets concernés. La thèse présente essentiellement trois volets distincts en lien à chacune des contributions en question. Suite à une revue des notions de base, on montre d’abord comment une méthode d’estimation exploitant des statistiques d’ordre supérieur a pu être développée à partir de l’amélioration d’un algorithme existant en ce domaine. On présente ensuite le cheminement qui a conduit à l’élaboration d’une technique d’estimation non linéaire exploitant les propriétés statistiques spécifiques des enveloppes complexes reçues, et ne possédant pas les limitations des algorithmes du second et quatrième ordre. Finalement, on présente le développement relatif à un algorithme d’estimation exploitant le caractère cyclostationnaire intrinsèque des signaux de communication dans un environnement asynchrone naturel. On montre comment un tel algorithme parvient à estimer la matrice de canal des signaux incidents indépendamment du caractère de corrélation spatiotemporel du bruit, et permettant de ce fait même une pleine exploitation du degré de liberté du réseau. La procédure d’estimation consiste en la résolution d’un problème de diagonalisation conjointe impliquant des matrices cibles issues d’une opération différentielle entre des matrices d’autocorrélation obtenues uniquement à partir de statistiques d’ordre deux. Pour chacune des contributions, des résultats de simulations sont présentés afin de confirmer l’efficacité des méthodes proposées. / This thesis addresses the problem of parameter estimation of radio signals from mobile users using an antenna array. A rigorous theoretical approach to the problem is adopted in an attempt to overcome the limitations and disadvantages of existing estimation methods in this field. The main chapters have been written covering only the theoretical aspects related to the main contributions of the thesis, while at the same time providing an appropriate literature review on the considered topics. The thesis is divided into three main parts related to the aforesaid contributions. Following a review of the basics concepts in antenna array processing techniques for signal parameter estimation, we first present an improved version of an existing estimation algorithm expoiting higher-order statistics of the received signals. Subsequently, we show how a nonlinear estimation technique exploiting the specific statistical distributions of the received complex envelopes at the array can be developed in order to overcome the limitations of second and fourth-order algorithms. Finally, we present the development of an estimation algorithm exploiting the cyclostationary nature of communication signals in a natural asynchronous environment. We show how such an algorithm is able to estimate the channel matrix of the received signals independently of the spatial or temporal correlation structure of the noise, thereby enabling a full exploitation of the array’s degree of freedom. The estimation process is carried out by solving a joint diagonalization problem involving target matrices computed by a differential operation between autocorrelation matrices obtained by the sole use of second-order statistics. Various simulation experiments are presented for each contribution as a means of supporting and evidencing the effectiveness of the proposed methods.

L'évolution de la prospère famille des standards 802.11 a encouragé le développement des technologies appliquées aux réseaux locaux sans fil (WLANs). Pour faire face à la toujours croissante nécessité de rendre possible les communications à très haut débit, les systèmes à antennes multiples (MIMO) sont une solution viable. Ils ont l'avantage d'accroître le débit de transmission sans avoir recours à plus de puissance ou de largeur de bande. Cependant, l'industrie hésite encore à augmenter le nombre d'antennes des portables et des accésoires sans fil. De plus, à l'intérieur des bâtiments, la déficience de rang de la matrice de canal peut se produire dû à la nature de la dispersion des parcours de propagation, ce phénomène est aussi occasionné à l'extérieur par de longues distances de transmission. Ce projet est motivé par les raisons décrites antérieurement, il se veut un étude sur la viabilité des transcepteurs sans fil à large bande capables de régulariser la déficience de rang du canal sans fil. On vise le développement des techniques capables de séparer M signaux co-canal, même avec une seule antenne et à faire une estimation précise du canal. Les solutions décrites dans ce document cherchent à surmonter les difficultés posées par le medium aux transcepteurs sans fil à large bande. Le résultat de cette étude est un algorithme transcepteur approprié aux systèmes MIMO à rang déficient.

La mise en registre 3D (opération parfois appelée alignement) est un processus de transformation d’ensembles de données 3D dans un même système de coordonnées afin d’en aligner les éléments communs. Deux ensembles de données alignés ensemble peuvent être les scans partiels des deux vues différentes d’un même objet. Ils peuvent aussi être deux modèles complets, générés à des moments différents, d’un même objet ou de deux objets distincts. En fonction des ensembles de données à traiter, les méthodes d’alignement sont classées en mise en registre rigide ou non-rigide. Dans le cas de la mise en registre rigide, les données sont généralement acquises à partir d’objets rigides. Le processus de mise en registre peut être accompli en trouvant une seule transformation rigide globale (rotation, translation) pour aligner l’ensemble de données source avec l’ensemble de données cible. Toutefois, dans le cas non-rigide, où les données sont acquises à partir d’objets déformables, le processus de mise en registre est plus difficile parce qu’il est important de trouver à la fois une transformation globale et des déformations locales. Dans cette thèse, trois méthodes sont proposées pour résoudre le problème de mise en registre non-rigide entre deux ensembles de données (représentées par des maillages triangulaires) acquises à partir d’objets déformables. La première méthode permet de mettre en registre deux surfaces se chevauchant partiellement. La méthode surmonte les limitations des méthodes antérieures pour trouver une grande déformation globale entre deux surfaces. Cependant, cette méthode est limitée aux petites déformations locales sur la surface afin de valider le descripteur utilisé. La seconde méthode est s’appuie sur le cadre de la première et est appliquée à des données pour lesquelles la déformation entre les deux surfaces est composée à la fois d’une grande déformation globale et de petites déformations locales. La troisième méthode, qui se base sur les deux autres méthodes, est proposée pour la mise en registre d’ensembles de données qui sont plus complexes. Bien que la qualité que elle fournit n’est pas aussi bonne que la seconde méthode, son temps de calcul est accéléré d’environ quatre fois parce que le nombre de paramètres optimisés est réduit de moitié. L’efficacité des trois méthodes repose sur des stratégies via lesquelles les correspondances sont déterminées correctement et le modèle de déformation est exploité judicieusement. Ces méthodes sont mises en oeuvre et comparées avec d’autres méthodes sur diverses données afin d’évaluer leur robustesse pour résoudre le problème de mise en registre non-rigide. Les méthodes proposées sont des solutions prometteuses qui peuvent être appliquées dans des applications telles que la mise en registre non-rigide de vues multiples, la reconstruction 3D dynamique, l’animation 3D ou la recherche de modèles 3D dans des banques de données. / Three-dimensional registration (sometimes referred to as alignment or matching) is the process of transforming many 3D data sets into the same coordinate system so as to align overlapping components of these data sets. Two data sets aligned together can be two partial scans from two different views of the same object. They can also be two complete models of an object generated at different times or even from two distinct objects. Depending on the generated data sets, the registration methods are classified into rigid registration or non-rigid registration. In the case of rigid registration, the data is usually acquired from rigid objects. The registration process can be accomplished by finding a single global rigid transformation (rotation, translation) to align the source data set with the target data set. However, in the non-rigid case, in which data is acquired from deformable objects, the registration process is more challenging since it is important to solve for both the global transformation and local deformations. In this thesis, three methods are proposed to solve the non-rigid registration problem between two data sets (presented in triangle meshes) acquired from deformable objects. The first method registers two partially overlapping surfaces. This method overcomes some limitations of previous methods to solve large global deformations between two surfaces. However, the method is restricted to small local deformations on the surface in order to validate the descriptor used. The second method is developed from the framework of the first method and is applied to data for which the deformation between the two surfaces consists of both large global deformation and small local deformations. The third method, which exploits both the first and second method, is proposed to solve more challenging data sets. Although the quality of alignment that is achieved is not as good as the second method, its computation time is accelerated approximately four times since the number of optimized parameters is reduced by half. The efficiency of the three methods is the result of the strategies in which correspondences are correctly determined and the deformation model is adequately exploited. These proposed methods are implemented and compared with other methods on various types of data to evaluate their robustness in handling the non-rigid registration problem. The proposed methods are also promising solutions that can be applied in applications such as non-rigid registration of multiple views, 3D dynamic reconstruction, 3D animation or 3D model retrieval.