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Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is one of the key modulations for current and novel broadband communications standards. For example, Multi-band Orthogonal Frequency Division Multiplexing (MB-OFDM) is an excellent choice for the ECMA-368 Ultra Wide-band (UWB) wireless communication standard. Nevertheless, the high Peak to Average Power Ratio (PAPR) of MB-OFDM UWB signals reduces the power efficiency of the key element in mobile devices, the High Power Amplifier (HPA), due to non-linear distortion, known as the non-linear saturation of the HPA. In order to deal with this limiting problem, a new and efficient pre-distorter scheme using a Neural Networks (NN) is proposed and also implemented on Field Programmable Gate Array (FPGA). This solution based on the pre-distortion concept of HPA non-linearities offers a good trade-off between complexity and performance. Some tests and validation have been conducted on the two types of HPA: Travelling Wave Tube Amplifiers (TWTA) and Solid State Power Amplifiers (SSPA). The results show that the proposed pre-distorter design presents low complexity and low error rate. Indeed, the implemented architecture uses 10% of DSP (Digital Signal Processing) blocks and 1% of LUTs (Look up Table) in case of SSPA, whereas it only uses 1% of LUTs in case of TWTA. In addition, it allows us to conclude that advanced machine learning techniques can be efficiently implemented in hardware with the adequate design. This work was partly funded by projects TERESA-ADA (TEC2017-90093-C3-2-R) (MINECO/ AEI/FEDER, UE) and MFOC (Madrid Flight on Chip—Innovation Cooperative Projects Comunidad of Madrid—HUBS 2018/MadridFlightOnChip).

Ultra WideBand (UWB) over fiber is a promising technology for meeting the demands of future wireless local-area networks (WLANs) and wireless personal-area networks (WPANs). Thanks to the enormous bandwidth and fiber characteristics, a high communication quality may be established at long reach. UWB wireless propagation must be achieved with special power and spectral constraints fixed by the regulatory bodies (e.g. US Federal Communication Commission). The novelty of our work originates from exploiting the benefits of a Semiconductor Optical Amplifier (SOA) so as to get a reach extension at limited cost and complexity. However, the inherent nonlinear effects and Amplified Spontaneous Emission (ASE) noise associated to such device may affect the system performance.Overcoming these impairments has been of central importance in this study. SOA nonlinearities have been mitigated by applying analog pre-distortion in electrical domain. Phaser-based processing was also proposed to simultaneously reduce ASE influence and linearize SOA characteristics, thanks to up/down chirping performed on the transmitter/receiver sides. With Impulse Radio UWB transmission, due to the time properties of modulation patterns, discrete lines arise in the corresponding spectrum, which may violate FCC limit or reduce the power efficiency. A new shape randomization technique has been investigated, which proved to be effective in suppressing these spectral spikes. The three approaches have shown a great potential with On Off Keying and Pulse Position Modulation formats at long optical reach.The performance of Differential Chaos Shift Keying was finally examined in the over fiber system, a lower error probability was experimentally achieved in comparison with other non-coherent modulations.; La technologie Ultra WideBand (UWB) sur fibre est une solution prometteuse pour répondre aux enjeux des futurs réseaux de communication WLAN/WPAN. Les caractéristiques de la fibre, incluant son énorme bande passante, offrent la possibilité d'une bonne qualité de service à longue portée. La propagation sans-fil UWB doit être réalisée sous des contraintes de densité spectrale de puissance particulières, imposées par l'autorité de régulation (FCC pour les Etats-Unis). La nouveauté de notre travail provient de I' exploitation des avantages d'un amplificateur optique à semi-conducteurs (SOA) afin d'obtenir une extension de portée à un coût et une complexité limités. Cependant, les effets non linéaires et le bruit d'émission spontanée amplifiée (ASE), intrinsèques à ce type de composant, sont susceptibles de dégrader la performance du système. La réduction de ces effets indésirables a donc été d'une importance centrale dans cette étude. Les non-linéarités du SOA ont été compensées en appliquant une solution de pré-distorsion analogique des formes d'ondes électriques. Un traitement basé sur phaser a également été proposé pour réduire simultanément I' influence de I'ASE et linéariser les caractéristiques du SOA, grâce à des opérations de chirping réparties entre l'émetteur et le récepteur. Avec la transmission Impulse Radio, en raison des propriétés temporelles des formats de modulation, des raies spectrales apparaissent, ce qui peut violer la limite FCC ou réduire I' efficacité énergétique. Une nouvelle technique de randomisation de formes d'ondes a été étudiée, qui s'est révélée efficace pour supprimer ces pics spectraux. Les trois approches ont montré un grand potentiel avec les formats On Off Keying et Pulse Position Modulation, à longue portée optique. Les performances d'une modulation différentielle Chaos Shift Keying ont finalement été examinées; une probabilité d'erreur inférieure a été obtenue expérimentalement en comparaison avec d'autres modulations non cohérentes.

In order to achieve better performance of modern communication devices, that have to be operated on its physical limits, the nonlinear phenomena need to be taken into the account. This thesis brings insight into two different subjects related with nonlinear dynamical phenomena. The thesis itself is divided into two parts : the first part is focused on the domain of nonlinear power amplifiers from the system point of view. Several methods for modelization and linearization of power amplifiers have been designed and discussed. A test-bench has been assembled in order to evaluate the proposed methods on real power amplifiers. Then the robustness to time misalignment in the system and the ability to deal with spectral artifacts in the system of presented methods have been evaluated. Also a theoretical study has been conducted on the existence and management of multiple solutions in the frame of adaptive indirect learning approach. The second part deals with nonlinear dynamical systems that are exhibiting chaotic solutions. Such systems are well known, but techniques for identifying reliable such solutions are either missing or are computational intense. In this thesis several methods using also parallel computing are presented. Systems with fractional differential order are briefly discussed. It is as well shown, that there exists systems related with quantified nonlinear transfer functions for which the standard analyzing methods fails, L'augmentation des performances des futurs systèmes dynamiques nécessite la prise en compte des phénomènes physiques non linéaires. Cette thèse apporte un éclairage et des contributions sur deux sujets complémentaires liés aux phénomènes dynamiques non linéaires. Le mémoire de thèse est divisé en deux parties.La première partie porte sur les non-linéarités des amplificateurs de puissance dans le cadre d'applications destinées aux télécommunications ou à la diffusion audio-visuelle. Plusieurs méthodes de modélisation et de linéarisation des amplificateurs de puissance ont été conçues et discutées. Un banc de test a été développé afin d'évaluer les méthodes sur des amplificateurs réels. La robustesse de ces techniques à un mauvais alignement temporel des signaux ainsi que leur capacité à faire face à des artefacts spectraux ont été évaluées. Par ailleurs, nous avons effectué une étude théorique sur l'existence et la prise en compte de solutions multiples dans l'approche adaptative par apprentissage indirect. La deuxième partie traite des systèmes dynamiques non linéaires qui présentent des solutions chaotiques. Ces systèmes sont bien connus, mais les techniques d'identification de ces solutions manquent de fiabilité ou nécessitent une puissance de calcul importante. Dans cette thèse, plusieurs méthodes utilisant également le calcul parallèle sont présentées. Les systèmes à commande différentielle fractionnaire sont brièvement discutés. Il est aussi montré, qu'il existe des systèmes liés à des fonctions de transfert non linéaires avec quantification pour lesquels les méthodes d'analyse classiques échouent

The aim of the research accomplished in this thesis is to introduce linearization techniques applied to power amplifier for broadband radio- ommunications. In this context, we put forward base-band adaptive pre-distortion techniques using neural networks. After showing the non-linear behavior of power amplifier on both the spectrum and the transmitted signal quality, the classic techniques of linearity improvement are introduced. In the second section, neural networks are presented in particular the multilayer perceptrons as well as their learning techniques. Next, we defined the necessary steps for the establishment of a neural pre-distortion architecture able to offer very good performances within a reasonable complexity forthe non-linearity’s compensation of stationary and memoryless power amplifier, in the context of OFDM systems. The pre-distortion architecture chosen proved good performances in terms of the error rate reducing even with relatively low values of IBO. It equally proved a good correction of the transmitted signal quality in both inside and outside his band. The performance degradation correction following the non-stationary behavior ofpower amplifier has been stressed. Hence, a new architecture of adaptive predistortion has been proposed which allowed to obtain good performances using Levenberg-Marquard algorithm that proved to be the most efficient compared to several other algorithms, in terms of reducing time to adapt to power amplifier behavior changes while noting a reduced complexity. The obtained simulation results justify this hypothesis.Finally, a theoretical analysis allowed to highlight the dispersion origins in the power amplifier response and led to the emergence of new neural architecture of predistortion able to take into account memory effects. This survey concludes with some perspectives for research able to extend the work done during this thesis., Les travaux de recherche menés dans cette thèse de doctorat ont visé l’étude et la mise en œuvre des techniques de linéarisation d’amplificateurs de puissance destinés aux émetteurs radiofréquences à large bande. Dans ce cadre, nous avons proposé des techniques de pré-distorsion adaptative en bande de base en utilisant les réseaux de neurones. Après avoir montré les conséquences du comportement non linéaire de l’amplificateur sur le spectre et la qualité du signal transmis, les techniques classiques d’amélioration de la linéarité sont présentées. Dans une deuxième partie, les réseaux de neurones sont présentés et en particulier les perceptrons multicouches sans oublier également les techniques d’apprentissage de ces derniers. Ensuite, nous avons défini les étapes nécessaires pour l’établissement d’une architecture neuronale de pré- istorsion capable d’offrir de très bonnes performances avec une complexité raisonnable pour la compensation des non-linéarités d’un amplificateur considéré stationnaire et sans mémoire, dans le contexte des systèmes de communication OFDM. L’architecture de pré-distorsion choisie a montré de très bonnes performances en terme de réduction du taux d’erreur dans la transmission même avec des IBO assez faibles. Elle a montré également une bonne correction du signal à l’intérieur de sa bande utile et en dehors de celle-ci. La dégradation des performances de correction suite à la non-stationnarité de l’amplificateur de puissance a été soulignée. Ainsi, une nouvelle architecture de pré-distorsion adaptative a été proposée. Cette architecture a permis d’obtenir de bonnes performances en utilisant l’algorithme de Levenberg-Marquardt qui s’est avéré le plus efficace, par rapport à plusieurs autres algorithmes, en terme de réduction du temps d’adaptation aux changements du comportement de l’amplificateur tout en notant une complexité réduite. Les résultats de simulation obtenus justifient cette hypothèse. Finalement, une analyse théorique a permis de mettre en évidence les origines de dispersion dans la réponse de l’amplificateur de puissance et a conduit à proposer de nouvelles architectures neuronales de pré-distorsion capables de tenir compte des effets de mémoire. Ce mémoire se conclut par quelques perspectives de recherche pouvant prolonger les travaux accomplis durant cette thèse.

The antagonism between information capacity and energetic fficiency in the context of wireless communications, more precisely : the trade-off between transmitter linearity and its efficiency ; is the main driver of this thesis. A FPGA5-based architecture for digital predistortion (DPD) linearizers for RF power amplifiers is proposed in this thesis. By means of separating the adaptation process from the predistortion itself, a convenient, simple hardware building block for the DPD architecture inside the FPGA -the Basic Predistortion Cell (BPC)- has been identified. A BPC-based architecture provides independency from the particular DPD function derivation method, and it is easily scalable and reconfigurable, depending on the operation mode and degree of impairments introduced by the transmitter chain in each particular case. In order to support those claims and provide experimental evidence, two main different prototyping scenarios have been developed. In the first one, a DPD adaptive linearizer based on the passivity theory (hyperstable systems) has been designed and implemented on a low-cost mixed FPGA/DSP6 platform. Besides experimental results, complementary signal proces- sing techniques to DPD are also addressed, thus giving a wide insight on realistic scenarios of DPD systems. In the second scenario, an advanced, adaptive DPD system aimed at compensa- ting not only PA's nonlinear behavior, but also its memory effects, is presented. It is based on a Nonlinear Auto-Regressive Moving Average structure which is mapped into hardware using a BPC grid-structure. Besides the experimental results on PA efficiency and linearity, FPGA implementation issues -such as adaptation and power consumption- are also studied. The manipulation of the PA class of operation to improve its efficiency, provided that DPD may be unavoidable due to the impact of memory effects, is discussed as well. Finally, to further improve efficiency, a DPD linearizer with dynamic supply built-in cap abilities has been proposed and implemented as discussed in the last part of this thesis. There, an efficient, bandwidth limited, switched DC-DC converter is in charge of the PA supply modulation. The thorough design procedure targeting a FPGA implementation shows how the necessary functions for commanding the supply modulator can be seamlessly integrated within the DPD processor. The experimental results highlight how the proposed solution maintains linearity and enhances the PA efficiency when compared to a DPD-only method.; L'antagonisme entre la capacité d'émission d'informations haut débit (linéarité) et le rendement énergétique, dans le contexte des émetteurs radio, est l'axe des travaux de cette thèse. Nous proposons une architecture matérielle basé sur circuits FPGA1 pour l'implémentation de fonctionnalités de prédistorsion numérique (DPD) pour la linéarisation d'amplificateurs RF. Nous articulons nos approches à partir de la séparation entre les processus de prédistorsion et d'adaptation. Ainsi, nous pouvons proposer une structure matérielle -le BPC2 ou Cellule Basique de Predistorsion- bien adaptée pour l'implémentation du module de prédistorsion. Le module de prédistorsion basé sur BPC peut être reconfigurable au besoin, et, en plus, il reste indépendant de la méthodologie particulière de dérivation de la fonction de prédistorsion. Afin d'effectuer des validations, deux prototypes permettant de tester des stratégies de prédistorsion performantes et novatrices ont été mis en oeuvre. Dans un premier temps, nous avons implémenté un système DPD basé sur la théorie des systèmes hyperstables sur une plateforme mixte FPGA/DSP3. En complément des résultats expérimentaux, nous rentrons dans le détail des fonc- tions complémentaires à la prédistorsion et l'adaptation nécessaires pour produire la prédistorsion. Le deuxième prototype adresse la linéarisation et la compensation des e®ets mémoire de l'amplificateur RF. Nous présentons et validons expérimentalement une structure de prédistorsion du type NARMA4, implémentée au moyen d'un réseau de cellules BPC. Au passage, nous étudions la consommation de la prédistorsion et son impact sur le rendement. Si l'utilisation de la prédistorsion s'avére inévitable pour contrer les effets mémoire, nous proposons de dégrader la Classe de l'am- plificateur, dans le but d'obtenir un émetteur aussi linéaire mais plus performant énergétiquement. Finalement, au delà de la prédistorsion seule, nous proposons, analysons et va- lidons expérimentalement un sys tème de prédistorsion + commande dynamique de l'alimentation de l'amplificateur RF. La structure de traitement du signal numérique développée, permet de : 1/prédistordre le signal et 2/commander des modulateurs d'amplitude lents (par rapport à la largeur de bande de l'application cible, mais ayant de forts rendements de conversion). L'inclusion de capacités de pilotage de l'alimentation autour de la prédistorsion s'avère peu coûteuse et permet d'atteindre des rendements améliorés sans perte de linéarité.