L’OFDM est une technique de modulation multiporteuses largement utilisée dans des applications de communications filaires et sans-fils comme le DVB-T/T2, le Wifi, et la 4G, grâce à sa robustesse contre les canaux sélectifs en fréquence en comparaison avec la modulation monoporteuse. Cependant, le signal OFDM souffre de grandes variations d’amplitude. Les fluctuations de l’enveloppe du signal OFDM génèrent des distorsions non-linéaires quand on introduit le signal dans un équipement non-linéaire comme l’amplificateur de puissance. Réduire les variations du signal améliore le rendement de l’amplificateur, réduit la consommation énergétique et diminue les émissions de CO2 des transmissions numériques.Le PAPR (rapport de la puissance crête sur la puissance moyenne) est une variable aléatoire qui a été introduite pour mesurer les variations du signal. Il existe plusieurs systèmes multiporteuses basés sur différentes bases de modulation et filtres de mise en forme. Nous prouvons d’abord dans ces travaux que le PAPR dépend de cette structure de modulation. Ensuite, nous étudions le comportement du PAPR vis-à-vis des formes d’ondes utilisées dans la modulation. Le problème de réduction du PAPR est ainsi formulé en un problème d’optimisation. Par ailleurs, une condition nécessaire pour construire des formes d’ondes avec un meilleur PAPR que l’OFDM est développée. Cette condition est notamment satisfaite par des bases en ondelettes. Enfin, une nouvelle forme d’onde en paquets d’ondelettes adaptative est proposée, permettant des gains significatifs en PAPR, tout en maintenant les avantages des modulations multiporteuses. / OFDM is a multicarrier modulation system widely used in wireline and wireless applications such as DVB-T/T2, Wifi, and 4G, due to its resilience against frequency selective channels compared with the single carrier modulation systems. However, the OFDM signal suffers from large amplitude variations. The fluctuations of the OFDM envelope generate non-linear distortions when we introduce the signal into a non-linear device like the power amplifier. Reducing the variations of the signal improves the power amplifier efficiency, reduces the energy consumption and decreases CO2 emissions.The peak-to-average power ratio (PAPR) has been introduced as a random variable that measures the power variations of the signal. There exist several multicarrier modulation systems based on different modulation basis and shaping filters. We first prove in this work that the PAPR depends on this modulation structure. Moreover, the behaviour of the PAPR regarding to the modulation waveforms is analysed and the PAPR reduction problem is formulated as an optimization problem. Furthermore, a necessary condition for designing waveforms with better PAPR than OFDM is developed. This necessary condition is particularly satisfied by wavelet basis. Finally, a new adaptive wavelet packet waveform is proposed, allowing significant gain in terms of PAPR, while keeping the advantages of multicarrier modulations.

L’OFDM est une technique de modulation multiporteuses largement utilisée dans des applications de communications filaires et sans-fils comme le DVB-T/T2, le Wifi, et la 4G, grâce à sa robustesse contre les canaux sélectifs en fréquence en comparaison avec la modulation monoporteuse. Cependant, le signal OFDM souffre de grandes variations d’amplitude. Les fluctuations de l’enveloppe du signal OFDM génèrent des distorsions non-linéaires quand on introduit le signal dans un équipement non-linéaire comme l’amplificateur de puissance. Réduire les variations du signal améliore le rendement de l’amplificateur, réduit la consommation énergétique et diminue les émissions de CO2 des transmissions numériques.Le PAPR (rapport de la puissance crête sur la puissance moyenne) est une variable aléatoire qui a été introduite pour mesurer les variations du signal. Il existe plusieurs systèmes multiporteuses basés sur différentes bases de modulation et filtres de mise en forme. Nous prouvons d’abord dans ces travaux que le PAPR dépend de cette structure de modulation. Ensuite, nous étudions le comportement du PAPR vis-à-vis des formes d’ondes utilisées dans la modulation. Le problème de réduction du PAPR est ainsi formulé en un problème d’optimisation. Par ailleurs, une condition nécessaire pour construire des formes d’ondes avec un meilleur PAPR que l’OFDM est développée. Cette condition est notamment satisfaite par des bases en ondelettes. Enfin, une nouvelle forme d’onde en paquets d’ondelettes adaptative est proposée, permettant des gains significatifs en PAPR, tout en maintenant les avantages des modulations multiporteuses. / OFDM is a multicarrier modulation system widely used in wireline and wireless applications such as DVB-T/T2, Wifi, and 4G, due to its resilience against frequency selective channels compared with the single carrier modulation systems. However, the OFDM signal suffers from large amplitude variations. The fluctuations of the OFDM envelope generate non-linear distortions when we introduce the signal into a non-linear device like the power amplifier. Reducing the variations of the signal improves the power amplifier efficiency, reduces the energy consumption and decreases CO2 emissions.The peak-to-average power ratio (PAPR) has been introduced as a random variable that measures the power variations of the signal. There exist several multicarrier modulation systems based on different modulation basis and shaping filters. We first prove in this work that the PAPR depends on this modulation structure. Moreover, the behaviour of the PAPR regarding to the modulation waveforms is analysed and the PAPR reduction problem is formulated as an optimization problem. Furthermore, a necessary condition for designing waveforms with better PAPR than OFDM is developed. This necessary condition is particularly satisfied by wavelet basis. Finally, a new adaptive wavelet packet waveform is proposed, allowing significant gain in terms of PAPR, while keeping the advantages of multicarrier modulations.

La technique Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) a été adoptée par plusieurs systèmes de télécommunications et de diffusion pour sa robustesse, sa capacité à transmettre de hauts débits dans des canaux radiomobiles et pour son efficacité spectrale. Cependant, les signaux OFDM sont caractérisés par des fluctuations importantes, mesurées par le rapport de la puissance crête sur la puissance moyenne (Peak to Average Power Ratio – PAPR) du signal, qui génèrent des distorsions à la sortie de l’amplificateur non-linéaire de puissance (High Power Amplifier - HPA) et ne permettent pas de l’utiliser dans sa zone optimale afin de diminuer sa consommation énergétique. La deuxième génération de la norme Digital Video Broadcasting (DVB-T2) a notamment adopté la technique Tone Reservation (TR) de réduction du PAPR. Son principe consiste à créer un noyau, à partir d’un ensemble de sous-porteuses réservées, qui est ensuite ajouté d’une manière itérative au signal OFDM de façon à réduire les pics du signal et donc son PAPR. Dans la première partie de la thèse, différents algorithmes permettant d’améliorer les performances de cette solution TR DVT-T2 sont proposés. Un premier groupe de solutions, reposant sur la même définition du noyau, comprend : la technique Partial Oversampling and Fractional Shifted Kernels (POFSK) reposant sur un sur-échantillonnage partiel du signal, la technique Dynamic Threshold (DT) qui effectue un calcul dynamique du seuil de troncature et la technique Enhanced Peak Selection (EPS) qui améliore la sélection des pics à réduire. Le deuxième groupe de solutions comprend tout d’abord la technique Individual Carrier Multiple Peaks (ICMP) qui repose sur une nouvelle définition du noyau et utilise un calcul de phase différent permettant la réduction de plusieurs pics en même temps. La technique GICMP est une version optimisée de la technique ICMP qui, en parallélisant les opérations, permet de réduire le délai de traitement et le nombre total d’itérations. Les résultats de simulations et les mesures effectuées sur une plateforme de transmission réelle montrent que, par rapport à la version TR de DVB-T2, l’algorithme GICMP offrait notamment un gain de l’ordre de 2.5 dB en termes de Modulation Error Rate – MER ou permettait une réduction de 10 % de l’énergie consommée par l’amplificateur de puissance à performances identiques. [...] / Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has been adopted by many telecommunication and broadcasting systems for its robustness, high transmission rates, mobility and bandwidth efficiency. However, OFDM signals are characterized by high power fluctuations, measured by the Peak to Average Power Ratio (PAPR), which cause distortions at the output of the non-linear High Power Amplifier (HPA) and prevent the radio frequency designer to feed the signal at the optimal point of the HPA specifications in order to reduce the energy consumption. The second generation of Digital Video Broadcasting (DVB-T2) adopted two PAPR reduction techniques, one of them is Tone Reservation (TR). TR creates a Kernel from a reserved set of subcarriers. The kernel is then iteratively added to the OFDM signal in such a way to reduce its peaks thus reducing its PAPR. In the first part of the thesis, different algorithms offering better performances compared to the DVB-T2 TR solution are proposed. A first group of solutions introduces changes and enhancements to the TR algorithm adopted in DVB-T2 TR but keeps the same kernel definition. This group includes: the Partial Oversampling and Fractional Shifted Kernels (POFSK) technique which is based on a partial oversampling of the signal, the Dynamic Threshold (DT) technique which allows better algorithm convergence by dynamically computing the PAPR reduction threshold for every OFDM symbol, and the Enhanced Peak Selection (EPS) technique which provides additional PAPR reduction by choosing the appropriate signal peaks to reduce and the peaks to skip. The second group of solutions includes the Individual Carrier Multiple Peaks (ICMP) technique which is based on a special kernel definition that changes from one algorithm iteration to another and uses a different phase calculation approach that allows the reduction of multiple peaks at a time. GICMP is an optimized version of ICMP that allows the parallelization of iterations in such a way to reduce the processing delay and the number of algorithm iterations. The simulation results and real hardware platform measurements of the proposed algorithms showed that, compared to the DVB-T2 TR version, the GICMP algorithm allows a Modulation Error Rate – MER gain of up to 2.5 dB or a 10 % reduction in HPA consumed energy with the same performances.

Les futurs systèmes de radiocommunications devront proposer des services nécessitant des transferts de données à haut débit, tout en garantissant une grande mobilité aux utilisateurs. Pour y parvenir, de nouvelles techniques de traitement de signal doivent être mises en oeuvre. Une de ces approches constituant actuellement un axe important de la recherche dans ce domaine est la technique MC-CDMA. Cette dernière repose sur la combinaison de deux techniques : les modulations à porteuses multiples et l'étalement de spectre. Les travaux de recherche présentés dans cette thèse ont pour buts l'étude et l'optimisation des systèmes de communications mettant en oeuvre cette technique MC-CDMA.<br /><br />Après une présentation générale des différentes façons de combiner les techniques de modulations à porteuses multiples et d'étalement de spectre, les performances des systèmes MC-CDMA sont présentées sur des canaux de Rayleigh et BRAN dans le cas de détection mono-utilisateur et multi-utilisateur.<br /><br />Puis, l'influence des codes d'étalement sur la variation de la dynamique de l'enveloppe du signal émis, et sur l'interférence produite par la cohabitation des données de plusieurs utilisateurs sur les mêmes ressources fréquentielles et temporelles est étudiée. Pour cela, nous nous sommes intéressés aux variations de l'enveloppe des sisgnaux MC-CDMA à travers l'étude du facteur de crête et du facteur de crête global. Ces quantités permettent d'estimer les fluctuations du signal transmis respectivement en voie montante et descendante. En ce qui concerne la minimisation de l'interférence d'accès multiple, une technique reposant sur l'allocation des séquences d'étalement est décrite et plusieurs critères de sélection des codes d'étalement sont proposés.<br /><br />Enfin, une attention particulière est portée à l'optimisation de la voie montante des systèmes MC-CDMA. Afin d'éviter l'insertion de Nu jeux de sous-porteuses pilotes servant à estimer les Nu canaux de la voie montante, une solution reposant sur le principe de la réciprocité du canal radiomobile est ici proposée. Cette alternative consiste à effectuer une prédistorsion du signal utile dans le terminal avant son émission. Deux variantes sont envisagées, la première repose sur un multiplexage temporel des voies montante et descendante alors que la seconde repose sur un multiplexage fréquentiel de ces deux voies.

L'OFDM pour ''Orthogonal Frequency Division Multiplexing'' est une technique de modulation multiporteuses sophistiquée qui a fait ses preuves dans le domaine de la communication sans fil permettant aux technologies actuelles d'atteindre un débit de transmission élevé. Elle est utilisée dans la plupart des standards de communication tels que le DAB, le DVB-T, les réseaux locaux sans fil (WLAN), le WIMAX. Elle est en phase de normalisation dans le LTE (''Long Term Evolution'') pour la future norme de réseau mobile de quatrième génération (4G). L'inconvénient majeur de la modulation OFDM est qu'elle engendre des signaux temporels à fortes variations d'amplitude caractérisée par un PAPR (''Peak-to-Average Power Ratio'') élevé. Cette caractéristique rend les signaux OFDM très sensibles aux non-linéarités des composants analogiques, en particulier celles de l'amplificateur de puissance. L'objectif de cette thèse a consisté à développer et analyser des techniques de réduction du PAPR de type ''ajout de signal'' à compatibilité descendante. Ces techniques ont été développées dans le souci de satisfaire les contraintes (consommation et intégration) d'un système embarqué. Dans cette thèse, nous avons d'abord étudié théoriquement les performances des techniques ''ajout de signal'' dites de ''distorsions, et nous avons ensuite développé deux nouvelles techniques ''ajout de signal'' à compatibilité descendante.