La technique ultra large bande (UWB) par impulsions consiste à émettre des impulsions de courte durée et de faible énergie offrant ainsi la possibilité de transmettre de l'information à de hauts débits et à faible coût. Dans cette thèse nous nous sommes intéressés aux systèmes ultra large bande à accès multiple par répartition de codes de saut temporel (TH-UWB) dans un contexte asynchrone et dans un environnement de propagation à trajets multiples. Un récepteur rake a été mis en place. Nous avons calculé de manière analytique la variance de l'interférence multi-utilisateur (MUI) en sortie de ce récepteur. Ceci nous a permis d'identifier les paires dites optimales qui minimisent cette variance. Nous avons constaté qu'utiliser ces paires permet d'améliorer significativement le taux d'erreur binaire du système. Une démarche similaire a été appliquée aux systèmes DS-UWB et DS-CDMA, en effet ces systèmes s'expriment analytiquement de manière identique au système TH-UWB. Ainsi nous avons pu caractériser les paires optimales. Nous avons ensuite comparé les performances de ces différents systèmes lorsque la variance de la MUI est minimale. La variance de l'interférence entre symboles et entre trames (ISI / IFI) a été calculée analytiquement. Ceci nous a permis de dimensionner le récepteur rake et le temps de garde intelligemment. Nous avons également observé, en absence d'ISI / IFI et de bruit, un seuil sur la probabilité d'erreur. En modifiant légèrement le récepteur, nous avons éliminé ce seuil. Enfin nous avons établi les bornes de Cramer-Rao relatives à l'estimation des paramètres du canal (amplitudes et retards) en supposant que les trajets pouvaient se chevaucher.

Ultra-Wideband impulse radio (UWB-IR) technology is an attractive method on multi-user for high data rate transmitting structures. In this thesis, we use the ultra wideband (UWB) signal that is modulated by the time-hopping spread spectrum technique in a wireless multiple access environments, and discuss the influences of multiple access interference. We discuss two parts of the influences of multiple access interference in this thesis. The first, we analyze the multiple access interferences on the conventional correlation receiver, and discuss the influences by using the time hopping code on different multiple access structures. The second, we know that the performances of user detection and system capacity would be degraded by the conventional correlation receiver in the multiple access channels. The Probabilistic Data Association(PDA) multi-user detection technology can eliminate multiple access interferences in this part. We will use this method to verify the system performance through the computer simulations, and compare to other multi-user detectors with convention correlation receivers. Finally, the simulation results show that the performance of the PDA multi-user detections is improved when the system is full loaded.

In Impulse Radio based Ultra Wide Band (UWB) systems, where sub-nano second pulses are used, synchronization is very challenging because of their short pulse duration and very low duty cycle. Coherent detection of ultra wide-band signals requires complex channel estimation algorithms. In impulse based UWB systems, suboptimal receivers that require no channel estimation are proposed for low data rate applications using non coherent detection of energy. This approach requires integrators that collect energy and detect the incoming stream of bits for detection and synchronization. These techniques yield reasonable performance when compared to coherent detection techniques that require complex hardware and dissipate more energy. Non-coherent detection is a promising technique for low complexity, low cost and low data rate ultra-wideband communication applications like sensor area networks. In the past, several attempts have been made to characterize the performance of the energy collection receivers for synchronization using various metrics that include time of arrival and BER measurements. A comprehensive study of the synchronization problem using Probability of False Alarm is limited. The current thesis attempts to characterize the synchronization problem using Probability of False Alarm and Probability of Detection under various channel models and also discusses the importance of the length of the integration window for energy collection receivers. The current work also focuses on the performance evaluation of synchronization for Impulse based UWB systems using energy capture method and modeling them using the Probability of False Alarm and Probability of Detection under various channel models. In these systems, the integration region of a receiver integrator significantly affects the bit error rate (BER) performance. The effect of the integration window on the performance of the algorithm is also studied. This work also discusses the trade-offs between complexity and precision in using these algorithms for synchronization of Impulse based Direct Sequence Ultra Wideband Systems (DS-UWB). Signal to Noise Ratio vs. Probability of Detection, Probability of False Alarm are plotted for different channel models. / Master of Science

Lately, spread spectrum systems are being increasingly used for commercial wireless communications because of their ability to reject various types of interference. This ability allows them to be used in multiple access systems. Direct sequence and frequency hopping systems have been the primary spread spectrum techniques used in practice. One technique which has not received much attention until recently is time hopping. In time hopping, a symbol is transmitted at a random position within the symbol period using a pulse width which is much smaller than the symbol period. Ultra-wideband (UWB) technology is a radar technology which shows promise for an relatively simple implementation of a time hopping system. This thesis looks at the error probability performance of a UWB time hopping multiple access system. Previous work has led to an estimate of the performance using a Gaussian approximation similar to that used for direct sequence systems. Through the use of a fast simulation technique, it will be shown that in certain situations, the Gaussian approximation fails to accurately predict the performance. A numerical analysis which uses characteristic functions is developed and shown to correctly predict the system’s performance under a wide range of situations. This numerical analysis also contributes to the understanding of the system. / Master of Science

Face à une demande sans cesse croissante de haut débit et d’adaptabilité des systèmes existants, qui à son tour se traduit par l’encombrement du spectre, le développement de nouvelles solutions dans le domaine des communications sans fil devient nécessaire afin de répondre aux exigences des applications émergentes. Parmi les innovations récentes dans ce domaine, l’ultra large bande (UWB) a suscité un vif intérêt. La radio impulsionnelle UWB (IR-UWB), qui est une solution intéressante pour réaliser des systèmes UWB, est caractérisée par la transmission des impulsions de très courte durée, occupant une largeur de bande allant jusqu’à 7,5 GHz, avec une densité spectrale de puissance extrêmement faible. Cette largeur de bande importante permet de réaliser plusieurs fonctionnalités intéressantes, telles que l’implémentation à faible complexité et à coût réduit, la possibilité de se superposer aux systèmes à bande étroite, la diversité spatiale et la localisation très précise de l’ordre centimétrique, en raison de la résolution temporelle très fine.Dans cette thèse, nous examinons certains éléments clés dans la réalisation d'un système IR-UWB intelligent. Nous avons tout d’abord proposé le concept de radio UWB cognitive à partir des similarités existantes entre l'IR-UWB et la radio cognitive. Dans sa définition la plus simple, un tel système est conscient de son environnement et s'y adapte intelligemment. Ainsi, nous avons tout d’abord focalisé notre recherché sur l’analyse de la disponibilité des ressources spectrales (spectrum sensing) et la conception d’une forme d’onde UWB adaptative, considérées comme deux étapes importantes dans la réalisation d'une radio cognitive UWB. Les algorithmes de spectrum sensing devraient fonctionner avec un minimum de connaissances a priori et détecter rapidement les utilisateurs primaires. Nous avons donc développé de tels algorithmes utilisant des résultats récents sur la théorie des matrices aléatoires, qui sont capables de fournir de bonnes performances, avec un petit nombre d'échantillons. Ensuite, nous avons proposé une méthode de conception de la forme d'onde UWB, vue comme une superposition de fonctions B-splines, dont les coefficients de pondération sont optimisés par des algorithmes génétiques. Il en résulte une forme d'onde UWB qui est spectralement efficace et peut s’adapter pour intégrer les contraintes liées à la radio cognitive. Dans la 2ème partie de cette thèse, nous nous sommes attaqués à deux autres problématiques importantes pour le fonctionnement des systèmes UWB, à savoir la synchronisation et l’estimation du canal UWB, qui est très dense en trajets multiples. Ainsi, nous avons proposé plusieurs algorithmes de synchronisation, de faible complexité et sans séquence d’apprentissage, pour les modulations BPSK et PSM, en exploitant l'orthogonalité des formes d'onde UWB ou la cyclostationnarité inhérente à la signalisation IR-UWB. Enfin, nous avons travaillé sur l'estimation du canal UWB, qui est un élément critique pour les récepteurs Rake cohérents. Ainsi, nous avons proposé une méthode d’estimation du canal basée sur une combinaison de deux approches complémentaires, le maximum de vraisemblance et la décomposition en sous-espaces orthogonaux,d’améliorer globalement les performances. / Faced with an ever increasing demand of high data-rates and improved adaptability among existing systems, which inturn is resulting in spectrum scarcity, the development of new radio solutions becomes mandatory in order to answer the requirements of these emergent applications. Among the recent innovations in the field of wireless communications,ultra wideband (UWB) has generated significant interest. Impulse based UWB (IR-UWB) is one attractive way of realizing UWB systems, which is characterized by the transmission of sub nanoseconds UWB pulses, occupying a band width up to 7.5 GHz with extremely low power density. This large band width results in several captivating features such as low-complexity low-cost transceiver, ability to overlay existing narrowband systems, ample multipath diversity, and precise ranging at centimeter level due to extremely fine temporal resolution.In this PhD dissertation, we investigate some of the key elements in the realization of an intelligent time-hopping based IR-UWB system. Due to striking resemblance of IR-UWB inherent features with cognitive radio (CR) requirements, acognitive UWB based system is first studied. A CR in its simplest form can be described as a radio, which is aware ofits surroundings and adapts intelligently. As sensing the environment for the availability of resources and then consequently adapting radio’s internal parameters to exploit them opportunistically constitute the major blocks of any CR, we first focus on robust spectrum sensing algorithms and the design of adaptive UWB waveforms for realizing a cognitive UWB radio. The spectrum sensing module needs to function with minimum a-priori knowledge available about the operating characteristics and detect the primary users as quickly as possible. Keeping this in mind, we develop several spectrum sensing algorithms invoking recent results on the random matrix theory, which can provide efficient performance with a few number of samples. Next, we design the UWB waveform using a linear combination of Bsp lines with weight coefficients being optimized by genetic algorithms. This results in a UWB waveform that is spectrally efficient and at the same time adaptable to incorporate the cognitive radio requirements. In the 2nd part of this thesis, some research challenges related to signal processing in UWB systems, namely synchronization and dense multipath channel estimation are addressed. Several low-complexity non-data-aided (NDA) synchronization algorithms are proposed for BPSK and PSM modulations, exploiting either the orthogonality of UWB waveforms or theinherent cyclostationarity of IR-UWB signaling. Finally, we look into the channel estimation problem in UWB, whichis very demanding due to particular nature of UWB channels and at the same time very critical for the coherent Rake receivers. A method based on a joint maximum-likelihood (ML) and orthogonal subspace (OS) approaches is proposed which exhibits improved performance than both of these methods individually.

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.

Face à une demande sans cesse croissante de haut débit et d'adaptabilité des systèmes existants, qui à son tour se traduit par l'encombrement du spectre, le développement de nouvelles solutions dans le domaine des communications sans fil devient nécessaire afin de répondre aux exigences des applications émergentes. Parmi les innovations récentes dans ce domaine, l'ultra large bande (UWB) a suscité un vif intérêt. La radio impulsionnelle UWB (IR-UWB), qui est une solution intéressante pour réaliser des systèmes UWB, est caractérisée par la transmission des impulsions de très courte durée, occupant une largeur de bande allant jusqu'à 7,5 GHz, avec une densité spectrale de puissance extrêmement faible. Cette largeur de bande importante permet de réaliser plusieurs fonctionnalités intéressantes, telles que l'implémentation à faible complexité et à coût réduit, la possibilité de se superposer aux systèmes à bande étroite, la diversité spatiale et la localisation très précise de l'ordre centimétrique, en raison de la résolution temporelle très fine.Dans cette thèse, nous examinons certains éléments clés dans la réalisation d'un système IR-UWB intelligent. Nous avons tout d'abord proposé le concept de radio UWB cognitive à partir des similarités existantes entre l'IR-UWB et la radio cognitive. Dans sa définition la plus simple, un tel système est conscient de son environnement et s'y adapte intelligemment. Ainsi, nous avons tout d'abord focalisé notre recherché sur l'analyse de la disponibilité des ressources spectrales (spectrum sensing) et la conception d'une forme d'onde UWB adaptative, considérées comme deux étapes importantes dans la réalisation d'une radio cognitive UWB. Les algorithmes de spectrum sensing devraient fonctionner avec un minimum de connaissances a priori et détecter rapidement les utilisateurs primaires. Nous avons donc développé de tels algorithmes utilisant des résultats récents sur la théorie des matrices aléatoires, qui sont capables de fournir de bonnes performances, avec un petit nombre d'échantillons. Ensuite, nous avons proposé une méthode de conception de la forme d'onde UWB, vue comme une superposition de fonctions B-splines, dont les coefficients de pondération sont optimisés par des algorithmes génétiques. Il en résulte une forme d'onde UWB qui est spectralement efficace et peut s'adapter pour intégrer les contraintes liées à la radio cognitive. Dans la 2ème partie de cette thèse, nous nous sommes attaqués à deux autres problématiques importantes pour le fonctionnement des systèmes UWB, à savoir la synchronisation et l'estimation du canal UWB, qui est très dense en trajets multiples. Ainsi, nous avons proposé plusieurs algorithmes de synchronisation, de faible complexité et sans séquence d'apprentissage, pour les modulations BPSK et PSM, en exploitant l'orthogonalité des formes d'onde UWB ou la cyclostationnarité inhérente à la signalisation IR-UWB. Enfin, nous avons travaillé sur l'estimation du canal UWB, qui est un élément critique pour les récepteurs Rake cohérents. Ainsi, nous avons proposé une méthode d'estimation du canal basée sur une combinaison de deux approches complémentaires, le maximum de vraisemblance et la décomposition en sous-espaces orthogonaux,d'améliorer globalement les performances.