There is an increasing interest in the deployment of wireless communication systems in vehicles. The motivation for this work is to provide a fundamental characterisation of the in-vehicle Electromagnetic (EM) wave propagation environment, and to demonstrate how this can be used to aid the deployment of wireless communication systems in vehicles. The fundamental characterisation of the in-vehicle EM wave propagation environment presented in this dissertation yields a number of useful outcomes. The instantaneous impulse response of the in-vehicle channel is characterised, which is presented in the form of a statistical model for arriving rays. Noticing that it is impractical to undertake a full statistical characterisation of the time-varying impulse response, the time variation of the in-vehicle channel is instead characterised as a Doppler spread. This approach provides parameters which are sufficient to perform an information theoretic analysis to lower bound the capacity of the in-vehicle channel. For typical operating conditions, it is found that the channel capacity is approximately equal to that of the same channel with perfect channel state information available at the receiver. Having established the fundamental EM wave propagation characteristics for a single in-vehicle wireless channel, the EM properties of the cavity itself are characterised. This is achieved through a thorough investigation into the analogy between vehicle cavities and reverberation chambers, specifically considering the quality factor (and hence time constant), EM isolation, and electric field uniformity of typical vehicle cavities. This approach yields the important insight that the root mean square delay spread is approximately the same for all wireless links in a typical vehicle cavity. Also, that the angular spread of energy received at any given location (away from the cavity boundaries) is approximately uniform, and that over short distances the coherence distance is well defined, and hence Multiple Input Multiple Output antenna arrays should work well in vehicles. To what extent a typical wireless system can exploit this characterisation depends on how well the parameters can be estimated by a typical wireless communication system. This is also addressed, specifically investigating the estimation of the cavity time constant, and channel time variation. It is found that both of these can be estimated well using a typical wireless sensor network system.

La propagation des ondes acoustiques ou élastiques dans un milieu fini à faible atténuation se traduit par des signaux mesurés de longue durée (réverbération). Dans les techniques de contrôle non destructif et imagerie conventionnelles, seuls les premiers paquets d’ondes sont ordinairement exploités et l’information potentiellement contenue dans les codas de réverbération est alors perdue. Le travail présenté dans cette thèse a pour objectif d’exploiter le comportement d’ensemble des codas enregistrées dans des structures de type plaques, afin d’extraire le maximum d’information à partir d’un nombre limité de capteurs et traitement simple. Nous avons développé des modèles statistiques permettant de prévoir le comportement des ondes acoustiques réverbérantes dans une plaque (sous la forme de moyennes d’ensemble), à partir d’un ensemble limité de paramètres accessibles expérimentalement. Ainsi, il est montré que les moyennes des enveloppes, des corrélations ou de l’intégrale dite de Schroeder des signaux de réverbération reçus par quelques points contiennent des informations potentiellement utiles sur les propriétés structurelles du milieu, des sources ou des défauts. Après une validation numérique et expérimentale des modèles, des applications potentielles sont présentées telles que l’estimation de propriétés structurelles d’une plaque ou la localisation d’une source. La particularité de ces estimations est qu’elles ne nécessitent pas de mesure de temps, ni de synchronisation entre les capteurs, ce qui pourrait autoriser une implémentation avec peu de ressources embarquées. Ce type de méthode pourrait également être utilisé pour caractériser un défaut dans une structure réverbérante, de façon éventuellement complémentaire aux techniques classiques de CND et contrôle-santé de structures. / The propagation of acoustic and elastic waves in a finite media with low attenuation leads to measured signals of long durations (reverberation). In conventional techniques for non-destructive testing and imaging, only the first wave packets are usually exploited, and the information potentially contained in reverberation codas is lost. The work presented in this thesis aims to exploit the overall behavior of codas recorded in plate-like structures, in order to extract the maximum information from a limited number of sensors and simple processing. We have developed statistical models to predict the behavior of reverberant acoustic waves in a plate (in the form of ensemble-averages), from a limited set of experimentally accessible parameters. Thus, it is shown that theoretical expressions for the mathematical expectations of the envelopes, the correlation functions or the so-called Schroeder’s integral of reverberant signals received at some points contain potentially useful information about the structural properties of the medium, the sources or the defects. After numerical and experimental validation, potential applications are presented, such as the estimate of structural properties of a plate or source location. In addition, these techniques do not require any time measurement or even trigger synchronization between the input channels of instrumentation, thus implying low hardware constraints. Such methods could also be used to characterize a defect in a reverberant structure and can be considered as complementary to conventional NDT techniques and structural health monitoring.

Le Contrôle-Santé Intégré (CSI) réduit les besoins d’inspections humaines grâce à une surveillance automatisée, réduit les coûts de maintenance grâce à la détection précoce des anomalies avant qu’elles ne dégénèrent et améliore la sécurité ainsi que la fiabilité des services. L’objectif de cette thèse est de concevoir une plateforme de communication sans fil pour le CSI des structures ferroviaires. Le principe de contrôle repose sur la reconstruction des réponses impulsionnelles (fonctions de Green) par corrélation de bruit aléatoire se propageant dans le milieu. Durant ces travaux, nous avons éprouvé expérimentalement la relation entre les réponses actives expérimentales et une version post-traitée des fonctions de corrélation de bruit dans un contexte ferroviaire. Ainsi, nous avons démontré l’applicabilité des fonctions de corrélation pour la détection d’un défaut local sur un rail. Ensuite, nous avons réalisé une étude expérimentale comparative sur la caractérisation d’une transmission ZigBee en termes d’atténuation et de portée dans plusieurs environnements. Dans l’environnement ferroviaire sous test, nous avons démontré l’adéquation avec la portée d’une transmission ZigBee mono-saut (dans un rayon de 76m). Une solution de synchronisation des capteurs lors du prélèvement du signal basée sur la norme IEEE 802.15.4 a été proposée et validée par une campagne de mesures. Il a été démontré que cette approche offre une précision de l’ordre de quelques centaines de nanosecondes. Un prototype-plateforme de communication sans fil basé sur la technologie ZigBee/IEEE 802.15.4 a été mis en place et déployé sur un échantillon de rail. Cette solution a permis de valider les performances de cette plateforme, une fois les données récoltées par les transducteurs, ces informations sont transmises par un lien ZigBee vers une station de base où des algorithmes de détection leurs sont appliqués. / Structural Health Monitoring (SHM) reduces human inspection requirements through automated monitoring, reduces maintenance costs by early detection of defects before they escalate, and improves safety and reliability of services. The work presented in this thesis aims to design a wireless communication platform for railway structures health monitoring. The control principle is based on the reconstruction of impulse responses (Green’s functions) by correlation of random noise propagated in the medium. In this work, direct comparison between an active emission-reception response and the estimated noise correlation function has confirmed the validity of the equivalence relation between them. Thus, we have demonstrated the applicability of the correlation functions for local defect detection in a rail. Then, we conducted an experimental study on the characterization of a ZigBee transmission in terms of path loss and communication range in multiple environments. In the railway environment under test, we showed the adequacy with the range of a ZigBee single-hop transmission (within a radius of 76m). Furthermore, a flexible solution for sensors synchronization during the sampling process, based on IEEE 802.15.4 standard was proposed and validated by a measurement campaign. It has been demonstrated that this approach provides a precision of a few hundred nanoseconds. A wireless communication-platform prototype based on the ZigBee/IEEE 802.15.4 technology has been implemented and deployed on a rail sample. This solution enabled the validation of the platform performances, once the data collected by the transducers, the information is transmitted by a ZigBee link to a base station where detection algorithms are applied.

Le réverbérateur à plaque est un dispositif électromécanique de réverbération artificielle utilisé dans les studios d'enregistrement pour traiter les signaux audio enregistrés dépourvus d'effet de salle. Ce dispositif simule la réverbération à partir des vibrations de flexion d'une plaque mince. L'objectif de cette thèse est la simulation par modèles physiques d'un réverbérateur à plaque générique permettant à l'utilisateur le choix des principaux paramètres : caractéristiques géométriques et physiques du matériau de la plaque, conditions aux limites, positions de l'excitateur et des accéléromètres, et l'influence d'une plaque poreuse à proximité. Outre la compréhension des phénomènes entrant en jeu dans de tels dispositifs, cette approche permet la simulation de réverbérateurs à plaque existants comme l'EMT-140 ou l'EMT-240, mais aussi de réverbérateurs avec d'autres jeux de paramètres réels ou fictifs. La démarche entreprise s'articule en trois points : la modélisation du dispositif, les mesures sur un réverbérateur EMT-140 et la définition des outils numériques pour la synthèse sonore dans le domaine audible. La modélisation développée relève de la dynamique et de la vibroacoustique, et porte une attention particulière sur les mécanismes d'amortissement en raison de leur grande influence dans la perception de l'effet de réverbération. La démarche expérimentale, effectuée sur un réverbérateur EMT-140, permet l'identification des paramètres d'un dispositif réel et l'identification des limites de validité de la modélisation. L'outil de simulation dans le domaine temporel repose sur la méthode des différences finies.

H Διδακτορική Διατριβή μελετά το πρόβλημα της ψηφιακής ισοστάθμισης,σκοπεύοντας στην ανάπτυξη αποτελεσματικών μεθόδων εξάλειψης των ηχητικών παραμορφώσεων, που εισάγονται κατά την ηχητική αναπαραγωγή εξαιτίας της απόκρισης, είτε των ηχείων (ανηχωική ισοστάθμιση), είτε των χώρων ακρόασης (εξάλειψη αντήχησης). Αναπτύσσονται πρωτότυπες μέθοδοι που αφενός εξασφαλίζουν ακριβείς μετρήσεις των ανηχωικών ηλεκτρακουστικών αποκρίσεων μέσα σε μη ανηχωικούς χώρους, αφετέρου πετυχαίνουν κατάλληλη εξομάλυνση των πολύπλοκων αποκρίσεων των ακουστικών συστημάτων για χρήση στην ψηφιακή ισοστάθμιση αλλά και για χρήση σε άλλες εφαρμογές της ακουστικής χώρων που απαιτούν ανάλυση συγκεκριμένων ιδιοτήτων αυτών των συστημάτων. Η συστηματική μελέτη της μεθόδου εξάλειψης αντήχησης που βασίζεται στην ιδανική αντιστροφή των αποκρίσεων χώρων οδηγεί στο πρωτότυπο συμπέρασμα ότι τα ακουστά οφέλη από την εφαρμογή της μεθόδου σε πραγματικό χρόνο είναι σημαντικά υποδεέστερα από τα αναμενόμενα που προκύπτουν από τα αντίστοιχα πειράματα εξομοίωσης αυτής της μεθόδου. Το πρόβλημα της εξάλειψης αντήχησης αντιμετωπίζεται για πρώτη φορά με έναν πρακτικά βιώσιμο τρόπο, με την εισαγωγή πρωτότυπης μεθόδου ισοστάθμισης που βασίζεται στην Μιγαδική Εξομάλυνση των αποκρίσεων χώρων. / The dissertation studies the digital audio equalization problem, in order to develop methods that would effectively eliminate the audio distortions being introduced during the sound reproduction by either the loudspeakers(anechoic equalization) or the room response (dereverberation). Novel methods are introduced that ensure precise measurements of anechoic electracoustic responses inside reverberant enclosures and on the other hand, achieve appropriately smoothed acoustic responses, for use in digital equalization and also in other applications of room acoustics that require analysis of concrete properties of these systems. Novel conclusions have been drawn by the analytic study of the room acoustics dereverberation based on ideal inverse filtering, indicating that the application of such a method in real time yields a significantly degraded performance compared to that achieved by the corresponding simulated dereverberation experiments. The problem of dereverberation is faced with a practically viable solution, with the introduction of a novel method based on the room response Complex Smoothing.

In speech communication systems such as voice-controlled systems, hands-free mobile telephones and hearing aids, the received signals are degraded by room reverberation and background noise. This degradation can reduce the perceived quality and intelligibility of the speech, and decrease the performance of speech enhancement and source localization. These problems are difficult to solve due to the colored and nonstationary nature of the speech signals, and features of the Room Impulse Response (RIR) such as its long duration and non-minimum phase. In this dissertation, we focus on two topics of speech enhancement and speaker localization in noisy reverberant environments. A two-stage speech enhancement method is presented to suppress both early and late reverberation in noisy speech using only one microphone. It is shown that this method works well even in highly reverberant rooms. Experiments under different acoustic conditions confirm that the proposed blind method is superior in terms of reducing early and late reverberation effects and noise compared to other well known single-microphone techniques in the literature. Time Difference Of Arrival (TDOA)-based methods usually provide the most accurate source localization in adverse conditions. The key issue for these methods is to accurately estimate the TDOA using the smallest number of microphones. Two robust Time Delay Estimation (TDE) methods are proposed which use the information from only two microphones. One method is based on adaptive inverse filtering which provides superior performance even in highly reverberant and moderately noisy conditions. It also has negligible failure estimation which makes it a reliable method in realistic environments. This method has high computational complexity due to the estimation in the first stage for the first microphone. As a result, it can not be applied in time-varying environments and real-time applications. Our second method improves this problem by introducing two effective preprocessing stages for the conventional Cross Correlation (CC)-based methods. The results obtained in different noisy reverberant conditions including a real and time-varying environment demonstrate that the proposed methods are superior compared to the conventional TDE methods. / Graduate / 0544 / 0984 / saeed.mosayyebpour@gmail.com

In speech communication systems such as voice-controlled systems, hands-free mobile telephones and hearing aids, the received signals are degraded by room reverberation and background noise. This degradation can reduce the perceived quality and intelligibility of the speech, and decrease the performance of speech enhancement and source localization. These problems are difficult to solve due to the colored and nonstationary nature of the speech signals, and features of the Room Impulse Response (RIR) such as its long duration and non-minimum phase. In this dissertation, we focus on two topics of speech enhancement and speaker localization in noisy reverberant environments. A two-stage speech enhancement method is presented to suppress both early and late reverberation in noisy speech using only one microphone. It is shown that this method works well even in highly reverberant rooms. Experiments under different acoustic conditions confirm that the proposed blind method is superior in terms of reducing early and late reverberation effects and noise compared to other well known single-microphone techniques in the literature. Time Difference Of Arrival (TDOA)-based methods usually provide the most accurate source localization in adverse conditions. The key issue for these methods is to accurately estimate the TDOA using the smallest number of microphones. Two robust Time Delay Estimation (TDE) methods are proposed which use the information from only two microphones. One method is based on adaptive inverse filtering which provides superior performance even in highly reverberant and moderately noisy conditions. It also has negligible failure estimation which makes it a reliable method in realistic environments. This method has high computational complexity due to the estimation in the first stage for the first microphone. As a result, it can not be applied in time-varying environments and real-time applications. Our second method improves this problem by introducing two effective preprocessing stages for the conventional Cross Correlation (CC)-based methods. The results obtained in different noisy reverberant conditions including a real and time-varying environment demonstrate that the proposed methods are superior compared to the conventional TDE methods. / Graduate / 2015-04-23 / 0544 / 0984 / saeed.mosayyebpour@gmail.com

Ce travail de thèse consiste en la conception et l'analyse d’un système d'exposition des animaux in vivo avec les signaux Wi-Fi dans une chambre réverbérante. La nouvelle méthode d'excitation est appliquée avec 6 antennes qui fonctionnent aléatoirement pour avoir un champ plus homogène et des ondes venant de toutes les directions. Cette configuration permet d'éviter une grande taille du brasseur de la chambre réalisée. La répartition de puissance chez les rats est étudiée par la méthode hybride de simulation-mesure. La puissance incidente est enregistrée de même que le champ au centre de la chambre. Le rapport de la puissance incidente sur E carré moyenné est déterminé. La méthode FDTD est choisie pour la simulation et permet d’analyser la répartition de la puissance absorbée par les rats. La distribution du champ dans la chambre suit une statistique de Rayleigh comme il a été prouvé par les études et les mesures. Donc, la boîte de Huygens est utilisée pour émettre des ondes planes aléatoires (avec les paramètres suivant distribution Rayleigh) et exposer les rats. On peut alors obtenir le rapport de DAS pour le corps entier chez les rats sur E carré moyenné dans la chambre. Donc il est possible de relier le DAS corps entier chez les rats et la puissance d’entrée dans la chambre à E carré moyenné. Une autre méthode de simulation est aussi appliquée pour vérifier ce résultat. L’évaluation de la variabilité des résultats pour plusieurs paramètres à différents âges des rats est effectuée. En générale, les sources de variabilité sont classifiées selon trois parties : simulation, mesure, et interface entre les deux. Le DAS corps entier chez les rats pendant toute la période d’exposition avec le domaine de variabilité sont présentés dans ce travail. Cette étude pourra être utilisée afin d'évaluer des résultats d’une exposition à long terme des animaux. Elle pourra aussi servir à caractériser le champ dans des environnements domestiques et urbains / This thesis dedicates to design and analysis for the animal in vivo Wi-Fi exposure system by reverberation chamber. 6 random functioned antennas are deployed in the reverberation chamber to radiate the rats with homogenous field and Omni-direction waves. So, there is no significant size stirrer in the system. Power absorption by rats is studied by the simulation-measurement hybrid method. In this method, by measurement, incident power and the mean squared E in the system are recorded. The ratio these factors are obtained. For simulation, FDTD is chosen to analyse the power absorption by the rats. E distribution in reverberation chamber is proved as Rayleigh statistics by studies and measurements. One Huygens box is constructed to radiate the rats. There is no need to realise the wall, the antennas and the accessories of the system. So the whole body averaged SAR can be obtained with the mean squared E in the chamber. Then whole body averaged SAR is linked with the incident power. One other method has also been applied to verify the results. Evaluation of the result variability depending on different parameters of rats with different ages is performed. The variability comes from simulation, measurement and interface between these two parts. Whole body averaged SAR with the variability domain on function of the rat's age is presented in this thesis. This work can be used to evaluate the long term animal exposition. It can also serve to characterise the field in modern domestic and urban environments

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la caractérisation des systèmes de communication sans fil utilisant la diversité des antennes. En effet, ces systèmes permettent de lutter contre les évanouissements des signaux, lorsque le terminal est placé dans un environnement riche en multi-trajets. L’objectif d'une telle recherche est : d’étudier l'association de plusieurs antennes à l'émission et / ou la réception pour améliorer le bilan de liaison, et la capacité des systèmes sans fil, (diminution de BER (Bit Error Rate), augmentation de débit ...). Cette thèse s’intéresse à l'aspect électromagnétique et traitement du signal. Afin de comprendre les phénomènes mis en jeu, et de caractériser les performances du terminal, il doit être placé dans un environnement de propagation multi-trajets contrôlable dans le temps et dans l'espace.Cela nous amène à trouver des méthodes de mesures capables de reproduire des modèles de canaux de propagation réalistes. Dans le cadre de cette thèse la méthode utilisée est la chambre réverbérante. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'aspect temporel. La chambre réverbérante (RC) est considérée comme un outil utile pour émuler des environnements riches en multi-trajets. Dans cette contribution, ce dispositif est utilisé pour émuler des modèles canaux multi-trajets, et évaluer la performance des systèmes de communication sans fil. Cette évaluation est effectuée avec des mesures en temps réel et non temps réel. Parmi les objectifs de cette thèse est d'obtenir un modèle de simulation électromagnétique de la chambre réverbérante basé sur une approche circuit, afin de déterminer la fonction de transfert de canal en fonction des pertes. / This thesis is part of the field of the characterization of wireless communication systems using antennas diversity. Indeed, such systems allow fighting against the signals fading, when the terminal is inside a strong multipath environment. The issue of such research is: to study the association of multiple antennas at transmitting and/or receiving sides to improve the link budget, and the capacity of wireless systems, (decrease of BER (Bit Error Rate), increase of throughput …). This thesis takes an interest to the electromagnetic aspect, and signal processing. In order to understand the involved phenomena, and to characterize the terminal performance, it should be placed in a controlled multipath propagation environment in time, and in space. This brings us to find measurement methodologies able to reproduce models of realistic propagation channels. As part of this thesis the method used is the reverberation chamber. In this thesis we are interested in the time aspect. Reverberation chamber (RC) is considered as a useful tool to emulate rich multipath environments. In this contribution, this device is employed to emulate multi clusters channel models (cluster is defined as a group of multipath), and evaluate performance of wireless communication systems. This evaluation is performed with real time and not-real time measurements. It remains to note that among the objectives set out in this PhD thesis is to obtain electromagnetic simulation model of the reverberation chamber based on circuit approach, in order to determine the channel transfer function versus losses quantities.

Ce travail porte sur l’étude de l’environnement électromagnétique dans une chambre réverbérante à brassage mécanique de modes. Les chambres réverbérantes constituent un outil fondamental pour réaliser des mesures de compatibilité électromagnétique. Leur étude se focalise généralement sur les propriétés statistiques de la puissance du champ stationnaire. Cependant, d’autres études de ce champ stationnaire ont été faites sous un autre angle qui consiste à utiliser la décomposition en spectre d’ondes planes pour décrire ce champ. Les méthodes d’estimation spectrale à haute résolution constituent un outil puissant pour identifier les directions d’arrivée d’ondes planes. Ces méthodes réputées puissantes sont paramétriques, elles requièrent la connaissance a priori du nombre d’ondes planes à séparer. Une méthode complète basée sur le critère MDL (Minimum Description Length) pour l’estimation d’ordre et de l’algorithme MUSIC (MUltiple SIgnal Classification) a été codée pour l’estimation du nombre, des directions d’arrivée, des amplitudes et des phases des ondes planes. L’adaptation de l’estimateur du spectre d’ondes planes à l’environnement de la chambre réverbérante, qui est un milieu à forte corrélation, nécessite l’utilisation de la technique de lissage spatial pour décorréler les fronts d’onde. La simulation du fonctionnement de la chambre réverbérante par la méthode numérique FDTD (Finite Difference Time Domain) a permis d’avoir les cartographies du champ électrique pour réaliser l’étude de la variation du spectre angulaire par rotation du brasseur mettant en évidence l’effet du mouvement du brasseur sur les directions d’arrivée des ondes et sur leurs puissances respectives. Ce travail se termine par une étude statistique des directions d’arrivée et des amplitudes des ondes planes de la décomposition / This work deals with the study of electromagnetic environment in a mechanical stirred reverberation chamber. The reverberation chamber is a fundamental tool to perform measurements of electromagnetic compatibility. Its study is generally focused on the statistical properties of the stationary field power. However, other studies based on field decomposition on plane waves have been made to describe this environment. High resolution spectral methods are powerful tools to estimate the directions of arrival of plane waves. These parametric methods require a priori the knowledge of the number of plane waves to separate. A complete method based on MDL (Minimum Description Length) criterion and MUSIC algorithm (MUltiple SIgnal Classification) is developed for plane waves number, directions of arrival (DOA), amplitudes and phases estimation. To adapt the plane waves estimator to the environment of the reverberation chamber, which is a highly correlated medium, spatial smoothing technique is used for wavefronts decorrelation. The reverberation chamber is simulated by the FDTD (Finite Difference Time Domain) numerical method to obtain the electric field cartographies. They are then used to study the stirrer rotation effect on plane wave directions of arrival and their respective powers. This work concludes with a statistical study on the plane wave DOA and amplitudes