Les circuits logiques "Rapid Single-Flux-Quantum" (RSFQ) à base de jonctions Josephson supraconductrices sont utilisés pour générer, traiter et transmettre des impulsions ultra-courtes dont l'aire quantifiée est celle du quantum de flux magnétique h/2e et correspond à 2.07 mV.ps. De tels circuits sont utilisés pour traiter le signal à très haute fréquence avec des fréquences d'horloge dans la gamme 10-120 GHz et une puissance consommée environ 100 à 1000 fois plus faible (incluant le coût énergétique du refroidissement à 4,2 K) que celle des meilleurs circuits semi-conducteurs équivalents. La logique RSFQ est une alternative intéressante pour les super-ordinateurs et offre des performances inégalées pour traiter les signaux micro-ondes à la volée. Une fois les signaux numérisés et traités à température cryogénique, le défi principal est de transférer à température ambiante les signaux numériques de faible tension (dans la gamme 200-1000µV) à des débits de 1 à 10 Gbps par voie, tout en limitant la charge thermique sur le système de réfrigération cryogénique, afin de construire un système performant à très haut débit numérique. Une solution à ce verrou est de transmettre les signaux par un système d'émission-réception sans fil avec la bande passante suffisante. Ce travail examine différents systèmes de transmission sans fil à courte distance, correspondant à la configuration physique entre les étages à températures cryogénique et ambiante, pour des taux de transmission de quelques Gbps. Il s'est construit sur quatre points cruciaux à résoudre :• le choix et l'étude du codage numérique approprié pour être utilisé comme support de transmission en bande de base des signaux sans utiliser de modulation analogique, comme les codages Polar Return-to-Zero et Manchester ;• l'étude et la sélection d'antennes ultra large bande avec une attention particulière portée sur les antennes Vivaldi antipodales et les antennes monopôles pour satisfaire aux contraintes cryogéniques ;• l'étude du taux d'erreur du système de transmission. Deux méthodes ont été développées pour récupérer les signaux numériques et minimiser le taux d'erreur ;• la comparaison entre simulations et mesures afin d'évaluer la performance du système global. / Rapid Single-Flux-Quantum (RSFQ) logic circuits based on superconducting Josephson junctions are using to generate, process and transmit very short quantized pulses whose area is the quantum of magnetic flux h/2e and corresponds to 2.07 mV.ps. Such circuits are used to process signals at very high speed with clock frequencies in the 10-120 GHz range and a power consumption about 100 to 1000 times lower that their best available semiconductor counterparts (including the cost of cooling down to 4,2K). RSFQ logic is an interesting alternative for supercomputers and offers unsurpassed performances for processing microwave signals on the fly. Once digital signals are processed at cryogenic temperature the key challenge is to transfer at room temperature the low-voltage output digital signals (about 200-1000µV) at high rates of about 1-10Gbps per channel, by limiting the thermal burden on the cryogenic system, in order to build high performance high throughput systems.A solution is to transmit the signals with a wireless emitting-receiving antenna set with a suitable bandwidth. This work examines several wireless baseband transmission systems in a short distance configuration, associated to the distance between the cryogenic and room temperature stages, for data rates in the range of a few Gbps. It elaborates on four crucial issues :• the choice and study of the proper line codes to be used for baseband transmission of digital signals without the need for analogue modulations, such as Polar Return-to-Zero and Manchester encodings ;• the study and selection of ultra-wide bandwidth antennas with a focus on small size Antipodal Vivaldi Antennas and monopole antennas to meet cryogenic constraints ;• the study of the Bit Error Rate (BER) of the transmitting system. Two methods were developed to recover the digital output signals and minimize the BER.• the comparison between simulations and measurements to assess the performance of the overall system.

Résumé : Afin de répondre aux besoins de communication et de divertissement, il ne fait aucun doute que la parole et l’audio doivent être encodés sous forme numérique. En qualité CD, cela nécessite un débit numérique de 1411.2 kb/s pour un signal stéréo-phonique. Une telle quantité de données devient rapidement prohibitive pour le stockage de longues durées d’audio ou pour la transmission sur certains réseaux, particulièrement en temps réel (d’où l’adhésion universelle au format MP3). De plus, ces dernières années, la quantité de productions musicales et cinématographiques disponibles en cinq canaux et plus ne cesse d’augmenter. Afin de maintenir le débit numérique à un niveau acceptable pour une application donnée, il est donc naturel pour un codeur audio à bas débit d’exploiter la redondance entre les canaux et la psychoacoustique binaurale. Le codage perceptuel et plus particulièrement le codage paramétrique permet d’atteindre des débits manifestement inférieurs en exploitant les limites de l’audition humaine (étudiées en psychoacoustique). Cette recherche se concentre donc sur le codage paramétrique à bas débit de plus d’un canal audio. // Abstract : In order to fulfill our communications and entertainment needs, there is no doubt that speech and audio must be encoded in digital format. In"CD" quality, this requires a bit-rate of 1411.2 kb/s for a stereo signal. Such a large amount of data quickly becomes prohibitive for long-term storage of audio or for transmitting on some networks, especially in real-time (leading to a universal adhesion to the MP3 format). Moreover, throughout the course of these last years, the number of musical and cinematographic productions available in five channels or more continually increased.In order to maintain an acceptable bit-rate for any given application, it is obvious that a low bit-rate audio coder must exploit the redundancies between audio channels and binaural psychoacoustics. Perceptual audio coding, and more specifically parametric audio coding, offers the possibility of achieving much lower bit-rates by taking into account the limits of human hearing (psychoacoustics). Therefore, this research concentrates on parametric audio coding of more than one audio channel.

Résumé : L’audio numérique s’est déployé de façon phénoménale au cours des dernières décennies, notamment grâce à l’établissement de standards internationaux. En revanche, l’imposition de normes introduit forcément une certaine rigidité qui peut constituer un frein à l’amélioration des technologies déjà déployées et pousser vers une multiplication de nouveaux standards. Cette thèse établit que les codecs existants peuvent être davantage valorisés en améliorant leur qualité ou leur débit, même à l’intérieur du cadre rigide posé par les standards établis. Trois volets sont étudiés, soit le rehaussement à l’encodeur, au décodeur et au niveau du train binaire. Dans tous les cas, la compatibilité est préservée avec les éléments existants. Ainsi, il est démontré que le signal audio peut être amélioré au décodeur sans transmettre de nouvelles informations, qu’un encodeur peut produire un signal amélioré sans ajout au décodeur et qu’un train binaire peut être mieux optimisé pour une nouvelle application. En particulier, cette thèse démontre que même un standard déployé depuis plusieurs décennies comme le G.711 a le potentiel d’être significativement amélioré à postériori, servant même de cœur à un nouveau standard de codage par couches qui devait préserver cette compatibilité. Ensuite, les travaux menés mettent en lumière que la qualité subjective et même objective d’un décodeur AAC (Advanced Audio Coding) peut être améliorée sans l’ajout d’information supplémentaire de la part de l’encodeur. Ces résultats ouvrent la voie à davantage de recherches sur les traitements qui exploitent une connaissance des limites des modèles de codage employés. Enfin, cette thèse établit que le train binaire à débit fixe de l’AMR WB+ (Extended Adaptive Multi-Rate Wideband) peut être compressé davantage pour le cas des applications à débit variable. Cela démontre qu’il est profitable d’adapter un codec au contexte dans lequel il est employé. / Abstract : Digital audio applications have grown exponentially during the last decades, in good part because of the establishment of international standards. However, imposing such norms necessarily introduces hurdles that can impede the improvement of technologies that have already been deployed, potentially leading to a proliferation of new standards. This thesis shows that existent coders can be better exploited by improving their quality or their bitrate, even within the rigid constraints posed by established standards. Three aspects are studied, being the enhancement of the encoder, the decoder and the bit stream. In every case, the compatibility with the other elements of the existent coder is maintained. Thus, it is shown that the audio signal can be improved at the decoder without transmitting new information, that an encoder can produce an improved signal without modifying its decoder, and that a bit stream can be optimized for a new application. In particular, this thesis shows that even a standard like G.711, which has been deployed for decades, has the potential to be significantly improved after the fact. This contribution has even served as the core for a new standard embedded coder that had to maintain that compatibility. It is also shown that the subjective and objective audio quality of the AAC (Advanced Audio Coding) decoder can be improved, without adding any extra information from the encoder, by better exploiting the knowledge of the coder model’s limitations. Finally, it is shown that the fixed rate bit stream of the AMR-WB+ (Extended Adaptive Multi-Rate Wideband) can be compressed more efficiently when considering a variable bit rate scenario, showing the need to adapt a coder to its use case.

Les formats de modulation bidimensionnels (i.e. basés sur l’amplitude et la phase de l’onde porteuse) ont gagné depuis peu le domaine des transmissions par fibre optique grâce aux progrès conjoints de l’électronique rapide et du traitement du signal, indispensables pour réaliser les récepteurs opto-électroniques utilisant la détection cohérente des signaux optiques. Pour pallier les limites actuelles en rapidité de commutation des circuits intégrés électroniques, une voie de recherche a été ouverte il y a quelques années, consistant à utiliser des technologies optiques pour faciliter la parallélisation du traitement du signal, notamment dans l’étape d’échantillonnage ultra-rapide du signal rendu possible par des horloges optiques très performantes. Le thème principal de cette thèse concerne l’étude théorique et expérimentale de la fonction de conversion analogique-numérique (ADC) de signaux optiques par un récepteur opto-électronique cohérent, associant les étapes d’échantillonnage optique linéaire, de conversion analogique-numérique et de traitement du signal. Un prototype, utilisant une solution originale pour la source d’échantillonnage, est modélisé, réalisé et caractérisé, permettant la reconstruction temporelle de signaux optiques modulés selon divers formats : NRZ, QPSK, 16-QAM. Les limitations optiques et électroniques du système sont analysées, notamment l’impact sur la reconstruction des signaux de divers paramètres : le taux d’extinction de la source optique, les paramètres de l’ADC (bande passante BW, temps d’intégration et nombre effectif de bits ENOB). Par ailleurs, de nouveaux algorithmes de traitement du signal sont proposés dans le cadre de la transmission optique cohérente à haut débit utilisant des formats de modulation bidimensionnels (amplitude et phase) : deux solutions sont proposées pour la compensation du déséquilibre de quadrature IQ dans les transmissions mono-porteuses: une méthode originale de l’estimation du maximum du rapport signal sur bruit ainsi qu’une nouvelle structure de compensation et d’égalisation conjointes; ces deux méthodes sont validées expérimentalement et numériquement avec un signal 16-QAM. Par ailleurs, une solution améliorée de récupération de porteuse (décalage de fréquence et estimation de la phase), basée sur une décomposition harmonique circulaire de la fonction de maximum de vraisemblance logarithmique, est validée numériquement pour la première fois dans le contexte des transmissions optiques (jusqu’à une modulation de 128-QAM). Enfin les outils développés dans ce travail ont finalement permis la démonstration d’une transmission sur 100 km d’un signal QPSK à 10 Gbaud fortement limité par un bruit de phase non linéaire et régénéré optiquement à l’aide d’un limiteur de puissance préservant la phase basé sur une nanocavité de cristal photonique. / Bi-dimensional modulation formats based on amplitude and phase signal modulation, are now commonly used in optical communications thanks to breakthroughs in the field of electronic and digital signal processing (DSP) required in coherent optical receivers. Photonic solutions could compensate for nowadays limitations of electrical circuits bandwidth by facilitating the signal processing parallelization. Photonic is particularly interesting for signal sampling thanks to available stable optical clocks. The heart of the present work concerns analog-to-digital conversion (ADC) as a key element in coherent detection. A prototype of linear optical sampling using an original solution for the optical sampling source, is built and validated with the successful equivalent time reconstruction of NRZ, QPSK and 16-QAM signals. Some optical and electrical limitations of the system are experimentally and numerically analyzed, notably the extinction ratio of the optical source or the ADC parameters (bandwidth, integration time, effective number of bits ENOB). Moreover, some new DSPs tools are developed for optical transmission using bi-dimensional modulation formats (amplitude and phase). Two solutions are proposed for IQ quadrature imbalance compensation in single carrier optical coherent transmission: an original method of maximum signal-to-noise ratio estimation (MSEM) and a new structure for joint compensation and equalization; these methods are experimentally and numerically validated with 16-QAM signals. Moreover, an improved solution for carrier recovery (frequency offset and phase estimation) based on a circular harmonic expansion of a maximum loglikelihood function is studied for the first time in the context of optical telecommunications. This solution which can operate with any kind of bi-dimensional modulation format signal is numerically validated up to 128-QAM. All the DSP tools developed in this work are finally used in a demonstration of a 10 Gbaud QPSK 100 km transmission experiment, featuring a strong non-linear phase noise limitation and regenerated using a phase preserving and power limiting function based on a photonic crystal nanocavity.