Du à la présence de dispositifs non-linéaires comme des amplificateurs de puissance (PAs) et des instruments optiques, les signaux de communication sont parfois corrompus par des distorsions non-linéaires. Dans ce cas, des modèles non-linéaires sont utilisés pour fournir une description précise des signaux, permettant le développement de techniques de traitement du signal capables d'éliminer ou de réduire ces distorsions. Dans ce contexte, le choix du modèle non-linéaire à une importance majeure. Les modèles de Volterra sont depuis longtemps utilisés pour représenter les systèmes de communication en présence de distorsions non-linéaires, ayant des applications dans les systèmes de communication par satellite, les systèmes OFDM et les systèmes radio over fiber (ROF), entre autres. Le principal objectif de cette thèse est de proposer des techniques d'estimation et de récupération d'information dans les systèmes de communication MIMO Volterra. Ce type de modèle MIMO peut être utilisé pour modéliser des canaux de communication avec de multiples antennes à la transmission et à la réception, ainsi que des canaux multi-utilisateurs avec de multiples antennes à réception et une antenne de transmission par utilisateur. Les techniques d'estimation et d'égalisation de canaux sont développées pour trois systèmes de communication non-linéaires différents: OFDM, ROF et ROF-CDMA, différents modèles MIMO Volterra étant utilisés selon l'application considérée. Dans le cas des systèmes du type OFDM, un nouveau schéma de transmission qui introduit de la redondance dans les signaux transmis, ainsi que des récepteurs exploitant cette redondance sont proposés. Dans le cas des systèmes TDMA-SDMA, un ensemble de polynômes orthonormaux est développé pour améliorer la vitesse de convergence de l'algorithme LMS pour l'estimation adaptative supervisée d'un système MIMO Volterra. D'autre part, le développement de récepteurs pour des systèmes de communication MIMO Volterra dans un schéma de transmission aveugle est réalisé à l'aide de décompositions tensorielles. Dans ce cas, en exploitant le fait que les modèles de Volterra sont linéaires vis-à-vis de leurs coefficients, des techniques d'estimation et d'égalisation de canaux MIMO Volterra basées sur la décomposition PARAFAC sont développées pour des systèmes de communication TDMA-SDMA et CDMA.