Ce mémoire est consacré à l'étude de la modulation adaptative dans le contexte de communications sans fil à large bande utilisant la modulation OFDM. Cette étude est plus particulièrement centrée sur l'analyse des performances et sur l'implantation matérielle d'un modèle de système de modulation adaptative multiporteuses qui incorpore plusieurs éléments d'un système qui serait utilisé de façon pratique. Un survol des communications sans fil à large bande et de la modulation adaptative est tout d'abord fait. Un modèle de chaîne de communications utilisant la modulation adaptative multiporteuses est ensuite proposé. Ce modèle tient compte de certains phénomènes imputables à l'utilisation d'un système pratique tels que les délais de traitement et de feedback, l'estimation de canal et les erreurs dans le canal de feedback. L'impact de ces phénomènes est étudié à partir des performances obtenues. Une architecture matérielle pour une chaîne de modulation adaptative est ensuite étudiée. Cette architecture proposée est ensuite implantée en utilisant une technologie FPGA. Les performances de l'implantation matérielle de la chaîne sont ensuite obtenues par simulation accélérée par matériel.

Les systèmes de communications ont beaucoup évolué ces dernières années, surtout les systèmes sans fil, et de plus en plus la nécessité d'utilisation d'une grande vitesse de transmission de données s'impose. Mais la technologie existante a des contraintes pour suivre la progression de la vitesse de transmission nécessaire ; plusieurs méthodes et techniques ont vu le jour pour remédier à ce problème. Le multiplexage par division en fréquences orthogonales (OFDM) est une alternative due à sa robustesse contre les évanouissements sélectifs en fréquence et sa résistance aux interférences entre symboles (IES). Ce dernier (IES) est un problème dans la communication de données à grande vitesse.L'émission pour les systèmes sans fil à grande distance nécessite l'utilisation d'amplificateurs de puissance (AP), mais l'utilisation des systèmes OFDM, entre autres, présente de forts pics d'amplitude de l'enveloppe du signal modulé et donc des variations importantes en puissance instantanée. Pour les systèmes OFDM on doit prendre en considération le paramètre (PAPR) "Peak-to- Aver age Power Ratio" qui a une influence directe sur l'AP. Parmi les techniques de réduction du PAPR, on retrouve les techniques qui consistent à traiter le signal avant l'émission. Ces méthodes sont en général simple à implémenter. Dans ce travail, on parle des différentes méthodes de réduction de PAPR, en mettant l'emphase sur la méthode d'écrêtage.

Les systèmes de communication optique avec des formats de modulation avancés sont actuellement l’un des sujets de recherche les plus importants dans le domaine de communication optique. Cette recherche est stimulée par les exigences pour des débits de transmission de donnée plus élevés. Dans cette thèse, on examinera les techniques efficaces pour la modulation avancée avec une détection cohérente, et multiplexage par répartition en fréquence orthogonale (OFDM) et multiples tonalités discrètes (DMT) pour la détection directe et la détection cohérente afin d’améliorer la performance de réseaux optiques. Dans la première partie, nous examinons la rétropropagation avec filtre numérique (DFBP) comme une simple technique d’atténuation de nonlinéarité d’amplificateur optique semiconducteur (SOA) dans le système de détection cohérente. Pour la première fois, nous démontrons expérimentalement l’efficacité de DFBP pour compenser les nonlinéarités générées par SOA dans un système de détection cohérente porteur unique 16-QAM. Nous comparons la performance de DFBP avec la méthode de Runge-Kutta quatrième ordre. Nous examinons la sensibilité de performance de DFBP par rapport à ses paramètres. Par la suite, nous proposons une nouvelle méthode d’estimation de paramètre pour DFBP. Finalement, nous démontrons la transmission de signaux de 16-QAM aux taux de 22 Gbaud sur 80km de fibre optique avec la technique d’estimation de paramètre proposée pour DFBP. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur les techniques afin d’améliorer la performance des systèmes OFDM optiques en examinent OFDM optiques cohérente (CO-OFDM) ainsi que OFDM optiques détection directe (DDO-OFDM). Premièrement, nous proposons une combinaison de coupure et prédistorsion pour compenser les distorsions nonlinéaires d’émetteur de CO-OFDM. Nous utilisons une interpolation linéaire par morceaux (PLI) pour charactériser la nonlinéarité d’émetteur. Dans l’émetteur nous utilisons l’inverse de l’estimation de PLI pour compenser les nonlinéarités induites à l’émetteur de CO-OFDM. Deuxièmement, nous concevons des constellations irrégulières optimisées pour les systèmes DDO-OFDM courte distance en considérant deux modèles de bruit de canal. Nous démontrons expérimentalement 100Gb/s+ OFDM/DMT avec la détection directe en utilisant les constellations QAM optimisées. Dans la troisième partie, nous proposons une architecture réseaux optiques passifs (PON) avec DDO-OFDM pour la liaison descendante et CO-OFDM pour la liaison montante. Nous examinons deux scénarios pour l’allocations de fréquence et le format de modulation des signaux. Nous identifions la détérioration limitante principale du PON bidirectionnelle et offrons des solutions pour minimiser ses effets. / Optical communication systems with advanced modulation formats are currently one of the major research focuses of the optical communication community. This research is driven by the ever-increasing demand for higher data transmission rates. In this thesis, we investigate efficient techniques for advanced modulation with coherent detection, and optical orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) and discrete multi-tone (DMT) for both direct detection and coherent detection to improve the performance of optical networks. In the first part, we investigate digital filter back-propagation (DFBP) as a simple semiconductor optical amplifier (SOA) nonlinearity mitigation technique in coherent detection systems. For the first time, we experimentally demonstrate effectiveness of DFBP in compensating for SOA-induced nonlinearities in a 16-ary quadrature amplitude modulation (16-QAM) singlecarrier coherent detection system. We compare performance of DFBP with Runge-Kutta fourth-order method. We examine sensitivity of DFBP performance to its parameters. Afterwards, we propose a novel parameter estimation method for DFBP. Finally, we demonstrate successful transmission of 22 Gbaud 16-QAM signals over 80 km fiber with the proposed parameter estimation technique for DFBP. In the second part, we concentrate on techniques to improve performance of optical OFDM systems, examining both coherent optical OFDM (CO-OFDM) and direct-detection optical OFDM (DDO-OFDM). First, we propose a combination of clipping and predistortion technique to compensate for CO-OFDM transmitter nonlinear distortions. We use piecewise linear interpolation (PLI) for characterizing the transmitter nonlinearity. At the transmitter, we use inverse of the PLI estimate to pre-compensate the nonlinearities induced at the COOFDM transmitter. Second, we design optimized non-square constellations for short-reach DDO-OFDM systems based on two channel noise models. We experimentally demonstrate 100 Gb/s+ OFDM/DMT with direct detection using the optimized QAM constellations. In the third part, we propose and experimentally demonstrate a passive optical network (PON) architecture with DDO-OFDM for the downlink and CO-OFDM for the uplink. We examine two scenarios for the occupied frequency and modulation format of the signals. We identify main limiting impairments of the bidirectional PON and provide solutions to minimize their effects.

Les systèmes de courte portée et de détection directe sont le dernier/premier kilomètre de la fourniture des services Internet d'aujourd'hui. Deux cas d'application sont abordés dans cette thèse, l'un concerne l'amélioration des performances des services Internet par la Fibre-To-TheHome ou les réseaux optiques passifs (PONs). L'autre est le radio access network (RAN) pour le fronthaul. Notre objectif pour RAN est de superposer les signaux 5G sur une infrastructure PON. Nous démontrons expérimentalement la génération d'un signal de répartition multiplexée de fréquences orthogonales (OFDM) à bande latérale unique en utilisant un modulateur IQ sur puce basé sur les photoniques au silicium à micro-anneau. Il s'agit d'une solution à coût bas permettant aux PONs d'augmenter les débits de données grâce à l'utilisation d'OFDM. Nous avons généré un signal OFDM à large bande avec un ratio de suppression de bande latérale de plus de 18 dB. Afin de confirmer la robustesse de la dispersion chromatique (CD), nous transmettons le signal généré OFDM SSB dans plus de 20 km de fibre de monomode standard. Aucun fading induit par la CD n'a été observé et le taux d'erreur sur les bits était bon. Nous proposons une solution de photoniques au silicium pour un réseau optique passif afin de mitiger l'interférence de battement signal-signal (SSBI) dans la transmission OFDM, et de récupérer une partie des porteuses de la liaison descendante pour une utilisation dans la liaison montante. Le sous-système recrée les interférences à une entrée du détecteur équilibré ; le signal de données corrompu par SSBI est à la deuxième entrée. L'annulation se produit via la soustraction dans la détection équilibrée. Comme notre solution de photoniques au silicium (SiP) ne peut pas filtrer les signaux idéalement, nous examinons un facteur d'échelle introduit dans la détection équilibrée qui peut balancer les effets de filtrage non idéaux. Nous montrons expérimentalement l'annulation de l'interférence donne de bonnes performances même avec une porteuse faible, soit pour un ratio porteuse/signal ultra bas de 0 dB. Bien que notre solution soit sensible aux effets de la température, notre démonstration expérimentale montre que le réglage de la fréquence résonante peut dériver jusqu'à 12 GHz de la valeur ciblée et présenter toujours de bonnes performances. Nous effectuons des simulations extensives du schéma d'annulation SSBI proposé, et suggérons une diverse conception polarisée pour le sous-système SiP. Nous examinons via la simulation la vulnérabilité à la variation de température et introduisons une nouvelle métrique de performance : Q-facteur minimum garanti. Nous nous servons de cette métrique pour évaluer la robustesse d'annulation SSBI contre la dérive de fréquence induite par les changements de température. Nous maximisons l'efficacité spectrale sous différentes conditions du système en balayant les paramètres de conception contrôlables. Finalement, les résultats de la simulation du système fournissent des indications sur la conception du résonateur micro-anneau, ainsi que sur le choix de la bande de garde et du format de modulation pour obtenir la plus grande efficacité spectrale. Finalement, nous nous concentrons sur la superposition des signaux 5G sur une infrastructure PON pour RAN. Nous expérimentalement validons un sous-système photonique au silicium conçu pour les réseaux optiques passifs avec réutilisation de porteuses et compatibilité radiosur-fibre (RoF) analogique 5G. Le sous-système permet la détection simultanée des signaux RoF et du signal PON transmis dans une seule tranche assignée de longueur d'onde. Tout en maintenant une qualité suffisante de détection des signaux RoF et PON, il n'y a que la puissance minimale de la porteuse qui est extraite pour chaque détection, ce qui conserve ainsi la puissance de la porteuse pour la modulation de liaison montante. Nous réalisons une suppression efficace du signal de liaison descendante en laissant une porteuse propre et forte pour la remodulation. Nous démontrons expérimentalement le signal RoF de liaison montante via un modulateur à micro-anneau. Nous avons détecté avec succès un signal à large bande de 8 GHz et cinq signaux RoF de 125 MHz simultanément. Et deux signaux RoF de 125 MHz sont remodulés sur la même porteuse. Le signal RoF de liaison montante généré est de 13 dB de plus que les signaux de liaison descendante, ce qui indique leur robustesse contre la diaphonie des signaux résiduels de la liaison descendante. / Short reach, direct detection systems are the last/first mile of today's internet service provision. Two use cases are addressed in this thesis, one is for enhancing performance of Internet services on fiber-to-the-home or passive optical networks (PON). The other is radio access networks (RAN) for fronthaul. Our focus for RAN is to overlay 5G signals on a PON infrastructure. We experimentally demonstrate the generation of a single-sideband orthogonal frequency division multiplexed (OFDM) signal using an on-chip silicon photonics microring-based IQ modulator. This is a low cost solution enabling PONs to increase data rates through the use of OFDM. We generated a wideband OFDM signal with over 18 dB sideband suppression ratio. To confirm chromatic dispersion (CD) robustness, we transmit the generated SSB OFDM signal over 20 km of standard single mode fiber. No CD-induced fading was observed and bit error rate was good. We propose a silicon photonics solution for a passive optical network to mitigate signal-signal beat interference (SSBI) in OFDM transmission, and to recuperate a part of the downlink carrier for use in the uplink. The subsystem recreates the interference at one balanced detector input; the data signal corrupted with SSBI is at the second input. Cancellation occurs via subtraction in the balanced detection. As our silicon photonics (SiP) solution cannot filter the signals ideally, we examine a scaling factor to be introduced to the balanced detection that can trade-off the non-ideal filtering effects. We show experimentally that the interference is cancelled, allowing good performance even with a weak carrier, that is, for ultra low carrier to signal ratio of 0 dB. Although our solution is sensitive to temperature effects, our experimental demonstration shows the tuning of the resonant frequency can drift by as much as 12 GHz from the targeted value and still provide good performance. We perform extensive simulations of the proposed SSBI cancellation scheme, and suggest a polarization diverse design for the SiP subsystem. We examine via simulation the vulnerability to temperature variation and introduce a new performance metric: minimum guaranteed Qfactor. We use this metric to evaluate the SSBI cancellation robustness against the frequency drift induced by temperature changes. We maximize the spectral efficiency under different system conditions by sweeping the controllable design parameters. Finally the system simulation results provide guidance on the microring resonator design, as well as choice of guard band and modulation format to achieve the highest spectral efficiency. Finally, we turn to focus on overlay 5G signals on a PON infrastructure for RAN. We experimentally validate a silicon photonic subsystem designed for passive optical networks with carrier reuse and 5G analog radio-over-fiber (RoF) compatibility. The subsystem enables the simultaneous detection of RoF signals and a PON signal transmitted in a single assigned wavelength slot. While maintaining sufficient quality of RoF and PON signal detection, only the minimum carrier power is leached off for each detection, thus conserving carrier power for uplink modulation. We realize effective downlink signal suppression to leave a clean and strong carrier for remodulation. We demonstrate experimentally the RoF uplink signal via a micro ring modulator. We successfully detected an 8 GHz broadband signal and five 125 MHz RoF signals simultaneously. And two 125 MHz radio over fiber signals are remodulated onto the same carrier. The generated uplink RoF signal is 13 dB over the downlink signals, indicating their robustness against the crosstalk from residual downlink signals.

White organic light-emitting diodes (OLEDs) are promising candidates for future solid-state lighting applications and backplane illumination in large-area displays. One very specific feature of OLEDs, which is currently gaining momentum, is that they can enable tunable white light emission. This feature is conventionally realized either through the vertical stacking of independent OLEDs emitting different colors or in lateral arrangement of OLEDs. The vertical design is optically difficult to optimize and often results in efficiency compromises between the units. In contrast, the lateral concept introduces severe area losses to dark regions between the subunits, which requires a significantly larger overall device area to achieve equal brightness. Here we demonstrate a color-tunable, two-color OLED device realized by side-by-side alignment of yellow and blue p-i-n OLEDs structured down to 20 μm by a simple and up-scalable orthogonal photolithography technique. This layout eliminates the problems of conventional lateral approaches by utilizing all area for light emission. The corresponding emission of the photo-patterned two-unit OLED can be tuned over a wide range from yellow to white to blue colors. The independent control of the different units allows the desired overall spectrum to be set at any given brightness level. Operated as a white light source, the microstructured OLED reaches a luminous efficacy of 13 lm W−1 at 1000 cd m−2 without an additional light outcoupling enhancement and reaches a color rendering index of 68 when operated near the color point E. Finally, we demonstrate an improved device lifetime by means of size variation of the subunits.

White organic light-emitting diodes (OLEDs) are promising candidates for future solid-state lighting applications and backplane illumination in large-area displays. One very specific feature of OLEDs, which is currently gaining momentum, is that they can enable tunable white light emission. This feature is conventionally realized either through the vertical stacking of independent OLEDs emitting different colors or in lateral arrangement of OLEDs. The vertical design is optically difficult to optimize and often results in efficiency compromises between the units. In contrast, the lateral concept introduces severe area losses to dark regions between the subunits, which requires a significantly larger overall device area to achieve equal brightness. Here we demonstrate a color-tunable, two-color OLED device realized by side-by-side alignment of yellow and blue p-i-n OLEDs structured down to 20 μm by a simple and up-scalable orthogonal photolithography technique. This layout eliminates the problems of conventional lateral approaches by utilizing all area for light emission. The corresponding emission of the photo-patterned two-unit OLED can be tuned over a wide range from yellow to white to blue colors. The independent control of the different units allows the desired overall spectrum to be set at any given brightness level. Operated as a white light source, the microstructured OLED reaches a luminous efficacy of 13 lm W−1 at 1000 cd m−2 without an additional light outcoupling enhancement and reaches a color rendering index of 68 when operated near the color point E. Finally, we demonstrate an improved device lifetime by means of size variation of the subunits.

Les plans d'expérience pour mélanges traitent des cas où les propriétés du mélange sont dépendantes uniquement des proportions de ses composants. Dans un systèmes de mélanges à deux niveaux chaque composant principal (CP) est lui-même un sous-mélange de composants secondaires (CS). Ces systèmes sont classés en: mélanges de type A: les proportions des CP sont fixées et celles des CS sont variables, mélanges de type B: les proportions des CP et des CS sont toutes variables. Afin d'analyser les deux types de mélanges on propose des modèles additifs. Ce type de modèles est bien adapté pour l'expérimentation avec de nombreux composants car le nombre de paramètres est très inférieur au nombre de paramètres des modèles multiplicatifs proposés dans la littérature. On construit des plans vérifiant deux hypothèses, l'une d'orthogonalité à l'intérieur de chaque groupe de CS et l'autre d'équilibre entre sous-mélanges de CS par couple de CP. Pour la classe des plans orthogonaux-équilibré (OE) on déduit l'optimalité uniforme des plans composés de sous-mélanges purs. L'identification entre les plans orthogonaux factoriels et les corps purs permet d'obtenir des plans de taille restreinte pour certaines configurations de mélanges. L'identification entre les sous-mélanges purs et les expériences axiales est aussi établie, ceci donne une méthode pour la construction de plans OE où les proportions des CS et celles des CP sont non nulles. La modélisation conjointe de mélanges et facteurs externes est aussi considérée en utilisant des polynômes d'ordre un et des fractions orthogonales construites à partir d'un plan factoriel composé du rassemblement de CS, CP et facteur externe.

Le contrôle en temps réel des locaux climatisés requiert la connaissance de modèles de la distribution de température et du champ de vitesse. Des modèles complets, basés sur les codes CFD, donnent accès à ces informations, mais sont incompatibles avec des applications en temps réel. Ainsi, un modèle d'ordre réduit est nécessaire. Cette étude propose de réduire la taille d'un modèle CFD en adoptant, dans un premier temps, l'hypothèse d'un champ de vitesse fixé, ce qui permet de ne résoudre que l'équation de conservation de l'énergie. Puis, mis sous forme d'un système d'état, la décomposition orthogonale aux valeurs propres est utilisée pour réduire son ordre. Cette méthode est appliquée au cas d'un local équipé d'un ventilo-convecteur. La forme de système d'état du modèle réduit ainsi obtenu permet, par application de la théorie moderne du contrôle, d'estimer la température dans la zone d'occupation sans mesure directe, et ainsi de l'intégrer dans une boucle fermée de contrôle. Plusieurs contrôleurs sont comparés avec pour point commun d'être synthétisés sur le principe du modèle interne basé sur la connaissance d'un modèle d'ordre réduit de l'air du local.

Les spectres contiennent de l'information sur la composition d'échantillons. Cette information est extraite au moyen d'une première famille d'outils chimiométriques, les étalonnages. Une deu xième famille d'outils, les prétraitements, est destinée à enlever une information spectrale nuisible. Etalonnages et prétraitements sont construits à partir de deux types d'informations: (1) les informations expérimentales basées sur l'expérience; (2) les informations expertes basées sur la connaissance a priori. L'objectif de la thèse est d'étudier les complémentarités et synergies entre ces deux types d'informations. Après une étude bibliographique, un modèle général commun aux étalonnages et prétraitements est proposé. L'information utile ou nuisible contenue dans un spectre est obtenue par projection orthogonale de ce spectre (selon un métrique Sigma) sur une matrice P dont les colonnes constituent une base de l'espace vectoriel associé à l'information utile ou nuisible. Selon les cas, l'information utile est conservée alors que l'information nuisible est éliminée. Le modèle général est ensuite implémenté par deux nouvelles méthodes. L'IDC-Improved Direct Calibration est une méthode d'étalonnage direct utilisant conjointement des informations expérimentales et expertes. Ensuite VODKA-PLSR est une généralisation de la PLSR. Un vecteur r est mis en évidence, il permet d'inclure de l'information experte dans le modèle. En conclusion ce travail permet une vision plus synthétique des modèles existants, propose deux nouveaux modèles d'étalonnage et ouvre de nombreuses possibilités pour créer de nouveaux modèles d'étalonnage et de prétraitement. / Spectra contain informations about the composition of samples. This information is obtained using calibration. Harmful spectral information can be previoulsy withdrawn using pretraitments. Both calibration and pretraitment models are based on two types of informations: (1) experimental information based on measurements onto samples; (2) expert information based on a previous knowledge. The aim of this thesis is to study the links between those two types of information. After a biography review, a general model including both calibrations and pretraitments is proposed. The usefull or harmful spectral information is obtained after spectra have been orthogonaly projected (with a Sigma metrix ) onto a P matrix whose columns define a basis of the vectorial subspace described by the usefull or harmful information. Thus usefull information is kept whereas harmful information is withdrawn. Two new methods are proposed. First IDC-Improved Direct Calibra tion is a direct calibration method using both experimental and expert informations. Then VODKA-PLSR is a generalisation of PLSR. A vector r permits the use of expert information by the regression model. To conclude, this works allows a global view of existing tools, proposes two new models and offers new possibilities for building new models.

Dans les turbomachines, le bruit du volume tournant est considéré comme une source majeure d’inconfort. La connaissance et l’identification des sources de bruit du rotor sont primordiales pour la conception d’une machine silencieuse et énergétiquement plus efficace. Ce document examine la capacité à la fois de la décomposition orthogonale aux valeurs (POD) et la décomposition aux valeurs singulières (SVD) à identifier les zones sur la surface d’une source (pale de ventilateur) fixe ou en mouvement subsonique qui contribuent le plus à la puissance acoustique rayonnée. La méthode de calcul de la dynamique des fluides (CFD) du code source OpenFoam est utilisée comme une première étape pour évaluer le champ de pression à la surface de la pale en mouvement subsonique. Les fluctuations de ce champ de pression permettent d’estimer à la fois le bruit de charge et la puissance sonore qui est rayonnée par la pale basée sur l’analogie acoustique de Ffowcs Williams et Hawkings (FW&H). Dans une deuxième étape, le bruit de charge estimé est également utilisé tant pour les approches POD et SVD. On remarque que la puissance sonore reconstruite par les deux dernières approches en se fondant uniquement sur les modes acoustiques les plus importants est similaire à celle prédite par l’analogie de FW&H. De plus, les modes les plus rayonnants estimés par la méthode SVD sont projetés sur la surface de la pale, mettant ainsi en évidence leurs emplacements. Il est alors prévu que cette identification soit utilisée comme guide pour l’ingénieur dans la conception d’une roue moins bruyante.