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This thesis deals with the problem of combining equalization with decoding for high data rate bandwidth-efficient transmissions over frequency-selective channels. Specifically, we focus on Turbo-Equalization which establishes an exchange of soft information between the equalizer and the decoder in an iterative manner. We first consider MAP turbo-equalizers which rely on trellis-based equalizers optimum in the sense of minimizing the symbol error probability. We show that these receivers achieve significant performance gains over the conventional approach where equalization and decoding are performed separately. However, the complexity of MAP turbo-equalizers becomes rapidly prohibitive for transmissions with high-order modulations over long delay spread channels. Hence, we then investigate reduced-complexity turbo-equalizers relying on filtering-based equalizers optimized according to the MMSE criterion. These equalizers share the common property of accounting explicitly for the presence of a priori information in the computation of the optimum filters coefficients and thus outperform classical MMSE equalizers. Our analysis shows that MMSE turbo-equalizers offer an attractive alternative to MAP turbo-equalizers for multilevel coded transmissions over long delay spread frequency-selective channels. We finally describe the implementation of an MMSE turbo-equalizer on the low-cost fixed-point TMS320VC5509 DSP device which is typically targeted at portable terminals. Using only C programming, a promising data rate of 42 Kbits/s has been achieved with 5 iterations. This result demonstrates the possibility of realizing such receivers in practice with current hardware capabilities.; Cette thèse traite du problème de l'égalisation des modulations codées pour les transmissions haut-débit sur canaux sélectifs en fréquence, sujets au phénomène d'interférence entre symboles. Nous considérons plus particulièrement la Turbo-Égalisation, qui instaure un échange réciproque d'information entre l'égaliseur et le décodeur, et ce de manière itérative. Nous étudions dans un premier temps le turbo-égaliseur MAP, qui utilise un égaliseur optimal au sens de la minimisation de la p probabilité d'erreur par symbole. Nous montrons que ce récepteur offre des gains de performances importants en comparaison avec les récepteurs conventionnels où les opérations d'égalisation et décodage sont généralement effectuées de manière disjointe. En contrepartie, la complexité du turbo-égaliseur MAP devient rapidement prohibitive en présence de modulations à grand nombre d'états et sur des canaux présentant des étalements temporels importants. En conséquence, nous nous intéressons à une seconde classe de turbo-égaliseurs de moindre complexité et reposant sur des égaliseurs à base de filtres linéaires, optimisés selon le critère MEQM. La nouveauté consiste ici à prendre en compte explicitement la présence d'information a priori dans le calcul des coefficients des filtres, ce qui conduit à des structures bien plus performantes que les égaliseurs MEQM classiques. Nos études montrent que ce type de récepteur constitue une solution attractive pour les transmissions à grande efficacité spectrale sur canaux sélectifs en fréquence. Finalement, nous présentons la mise en oeuvre d'un turbo-égaliseur MEQM sur un DSP virgule-fixe et faible coût, le TMS320VC5509, typiquement destiné aux terminaux mobiles. Nous obtenons ainsi un débit utile de 42 Kbits/s après 5 itérations avec une implémentation en langage C, ce qui démontre la faisabilité de tels récepteurs avec les moyens technologiques actuels.

This thesis deals with the problem of combining equalization with decoding for high data rate bandwidth-efficient transmissions over frequency-selective channels. Specifically, we focus on Turbo-Equalization which establishes an exchange of soft information between the equalizer and the decoder in an iterative manner. We first consider MAP turbo-equalizers which rely on trellis-based equalizers optimum in the sense of minimizing the symbol error probability. We show that these receivers achieve significant performance gains over the conventional approach where equalization and decoding are performed separately. However, the complexity of MAP turbo-equalizers becomes rapidly prohibitive for transmissions with high-order modulations over long delay spread channels. Hence, we then investigate reduced-complexity turbo-equalizers relying on filtering-based equalizers optimized according to the MMSE criterion. These equalizers share the common property of accounting explicitly for the presence of a priori information in the computation of the optimum filters coefficients and thus outperform classical MMSE equalizers. Our analysis shows that MMSE turbo-equalizers offer an attractive alternative to MAP turbo-equalizers for multilevel coded transmissions over long delay spread frequency-selective channels. We finally describe the implementation of an MMSE turbo-equalizer on the low-cost fixed-point TMS320VC5509 DSP device which is typically targeted at portable terminals. Using only C programming, a promising data rate of 42 Kbits/s has been achieved with 5 iterations. This result demonstrates the possibility of realizing such receivers in practice with current hardware capabilities.; Cette thèse traite du problème de l'égalisation des modulations codées pour les transmissions haut-débit sur canaux sélectifs en fréquence, sujets au phénomène d'interférence entre symboles. Nous considérons plus particulièrement la Turbo-Égalisation, qui instaure un échange réciproque d'information entre l'égaliseur et le décodeur, et ce de manière itérative. Nous étudions dans un premier temps le turbo-égaliseur MAP, qui utilise un égaliseur optimal au sens de la minimisation de la p probabilité d'erreur par symbole. Nous montrons que ce récepteur offre des gains de performances importants en comparaison avec les récepteurs conventionnels où les opérations d'égalisation et décodage sont généralement effectuées de manière disjointe. En contrepartie, la complexité du turbo-égaliseur MAP devient rapidement prohibitive en présence de modulations à grand nombre d'états et sur des canaux présentant des étalements temporels importants. En conséquence, nous nous intéressons à une seconde classe de turbo-égaliseurs de moindre complexité et reposant sur des égaliseurs à base de filtres linéaires, optimisés selon le critère MEQM. La nouveauté consiste ici à prendre en compte explicitement la présence d'information a priori dans le calcul des coefficients des filtres, ce qui conduit à des structures bien plus performantes que les égaliseurs MEQM classiques. Nos études montrent que ce type de récepteur constitue une solution attractive pour les transmissions à grande efficacité spectrale sur canaux sélectifs en fréquence. Finalement, nous présentons la mise en oeuvre d'un turbo-égaliseur MEQM sur un DSP virgule-fixe et faible coût, le TMS320VC5509, typiquement destiné aux terminaux mobiles. Nous obtenons ainsi un débit utile de 42 Kbits/s après 5 itérations avec une implémentation en langage C, ce qui démontre la faisabilité de tels récepteurs avec les moyens technologiques actuels.

Future radiocommunication systems will have to accomodate high data rate while allowing a great mobility to the users. In order to achieve this goal, new signal processing techniques must be investigated. One of the techniques currently under significant research is the MC-CDMA technique. This combines orthogonal frequency division multiplex modulation with spread spectrum technique. This thesis deals with the study and the optimization of MC-CDMA communication systems.After a general presentation of different combinations of OFDM and spread spectrum techniques, MC-CDMA systems performances are evaluated for multipath Rayleigh fading channel and BRAN channelsfor the case of single and multi-user detections.The influence of the spreading sequences is then studied on the dynamic range of the transmitted multicarrier signal envelope and on the multiple access interference. For that purpose, the envelope variation of MC-CDMA signals is considered through the study of the crest factor and the global crest factor. These quantities make it possible to estimate the fluctuations of the transmitted signals in uplink and downlink respectively. In order to minimize the multiple access interference, an optimized spreading sequence allocation procedure is presented and different code selection criteria are proposed.Finally, the focus is moved to the optimization of uplink MC-CDMA systems. In order to avoid the insertion of Nu groups of pilot subcarriers used to estimate the Nu uplink channels, a method based on the channel reciprocity property is proposed. This solution consists in using the downlink channel estimation to predistort the signal at the mobile station before transmission. Two alternative techniques are considered. The first is based on a time division duplex of the uplink and downlink whereas the second relies on a frequency division duplex of the uplink and downlink., 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.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.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.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.

The aim of this thesis is to study and to improve a digital receiver which is called a turbo-equalizer and is based on the turbo principle. This system consists of several functions that treat iteratively different disturbances created by the propagation channel. A special equalizer called the Interference Canceller (IC) build with filters optimized according to the Minimum Mean Square Error (MMSE) criterion combats the InterSymbol Interference (ISI). Then a channel decoder processes the additive noise and the residual ISI. Each function generates soft information about the emitted data that are improved at each treatment. Consequently ISI is progressively cancelled during the iterations.Thanks to an analogy with the coded modulations, we can explain the influence of the interleaving scheme, which can be performed on the bits or on the symbols of modulation, on the performance of the turbo-equalization for different time selectivity characteristics of the propagation channel. In order to obtain satisfactory performance on the ionospheric channel, whose characteristics are well-known to be difficult, we study different structures and algorithms of the equalizers of the turbo-equalization. We then present the improvements of the demapping without a priori information. A mapping optimization for the demapping function with a priori information is proposed and leads to a gain in Bit Error Rate performance. Finally, we compare the turbo-equalization to three alternative techniques : a system with a turbo-decoder, the COFDM scheme and a turbo-detector with reduced-state trellis, called turbo-DDFSE., L'objectif de cette thèse est d'étudier et d'améliorer une technique de réception numérique appelée turbo-égalisation et basée sur le principe turbo. Ce système est constitué de plusieurs fonctions qui traitent itérativement les différentes perturbations apportées par le canal de propagation. L'Interférences Entre Symboles (IES) est corrigée par un égaliseur particulier appelé annuleur d'interférences construit à l'aide de filtres optimisés selon le critère de Minimum d'Erreur Quadratique Moyenne (MEQM). Le bruit et l'IES résiduelle sont ensuite traités par un décodeur de canal. Chaque fonction produit une information souple sur les données émises qui est améliorée à chaque traitement. L'IES est ainsi éliminée progressivement au cours des itérations.Grâce à une analogie avec les modulations codées, nous expliquons l'influence du schéma d'entrelacement, qui peut être réalisé au niveau des bits ou des symboles de modulation, sur les performances de la turbo-égalisation selon les caractéristiques temporelles des canaux de propagation. D'autre part, afin d'obtenir des performances satisfaisantes sur un modèle de canal ionosphérique, dont les caractéristiques de propagation sont réputées difficiles, nous étudions les différentes structures et algorithmes d'adaptation possibles pour les égaliseurs présents dans la turbo-égalisation. Puis nous présentons des améliorations de la conversion Maire-binaire sans information a priori. Une optimisation du mapping pour la conversion Maire-binaire avec information a priori de la turbo-égalisation est proposée et conduit à un gain de performances en terme de Taux d'Erreurs Binaires. Enfin nous comparons la turbo-égalisation à trois techniques alternatives : un système avec turbo-décodage, la technique multiporteuse COFDM, et un turbo-détecteur à treillis réduit.

The aim of this thesis is to study and to improve a digital receiver which is called a turbo-equalizer and is based on the turbo principle. This system consists of several functions that treat iteratively different disturbances created by the propagation channel. A special equalizer called the Interference Canceller (IC) build with filters optimized according to the Minimum Mean Square Error (MMSE) criterion combats the InterSymbol Interference (ISI). Then a channel decoder processes the additive noise and the residual ISI. Each function generates soft information about the emitted data that are improved at each treatment. Consequently ISI is progressively cancelled during the iterations.Thanks to an analogy with the coded modulations, we can explain the influence of the interleaving scheme, which can be performed on the bits or on the symbols of modulation, on the performance of the turbo-equalization for different time selectivity characteristics of the propagation channel. In order to obtain satisfactory performance on the ionospheric channel, whose characteristics are well-known to be difficult, we study different structures and algorithms of the equalizers of the turbo-equalization. We then present the improvements of the demapping without a priori information. A mapping optimization for the demapping function with a priori information is proposed and leads to a gain in Bit Error Rate performance. Finally, we compare the turbo-equalization to three alternative techniques : a system with a turbo-decoder, the COFDM scheme and a turbo-detector with reduced-state trellis, called turbo-DDFSE., L'objectif de cette thèse est d'étudier et d'améliorer une technique de réception numérique appelée turbo-égalisation et basée sur le principe turbo. Ce système est constitué de plusieurs fonctions qui traitent itérativement les différentes perturbations apportées par le canal de propagation. L'Interférences Entre Symboles (IES) est corrigée par un égaliseur particulier appelé annuleur d'interférences construit à l'aide de filtres optimisés selon le critère de Minimum d'Erreur Quadratique Moyenne (MEQM). Le bruit et l'IES résiduelle sont ensuite traités par un décodeur de canal. Chaque fonction produit une information souple sur les données émises qui est améliorée à chaque traitement. L'IES est ainsi éliminée progressivement au cours des itérations.Grâce à une analogie avec les modulations codées, nous expliquons l'influence du schéma d'entrelacement, qui peut être réalisé au niveau des bits ou des symboles de modulation, sur les performances de la turbo-égalisation selon les caractéristiques temporelles des canaux de propagation. D'autre part, afin d'obtenir des performances satisfaisantes sur un modèle de canal ionosphérique, dont les caractéristiques de propagation sont réputées difficiles, nous étudions les différentes structures et algorithmes d'adaptation possibles pour les égaliseurs présents dans la turbo-égalisation. Puis nous présentons des améliorations de la conversion Maire-binaire sans information a priori. Une optimisation du mapping pour la conversion Maire-binaire avec information a priori de la turbo-égalisation est proposée et conduit à un gain de performances en terme de Taux d'Erreurs Binaires. Enfin nous comparons la turbo-égalisation à trois techniques alternatives : un système avec turbo-décodage, la technique multiporteuse COFDM, et un turbo-détecteur à treillis réduit.

In this PhD thesis, we study the concept of multi-sensor detection in cellular digital radio-communication systems using spread spectrum technique of Code-Division Multiple Access. The parameters considered are those of the third generation of mobile communication systems (UMTS) in the TDD mode and downlink communication. After describing the context in detail, we consider the problem of multi-user multi-sensor detection at mobile, and derive the "theoretical" symbol by symbol linear detectors for the case of frequency selective channels. A proposed frequency representation is used, and some interpretations are given. The performance evaluation is then applied to the case of UMTS channel model, where the bene fit of diversity reception with two or three sensors (at mobile) in efficiently combating fading and interference is shown, together with the advantage of joint "multi-user" detection. The more pragmatic last part addresses the study of digital implementation of the linear detectors, with the objective of fi nding tradeoff s between performance and complexity. To this purpose, we first compare the "free" linear structure with an imposed structure derived from the linear "theoretical" solution with finite length approximation. Finally, we point out the desired features for new intermediate structures, which are next proposed and studied. The adaptive behaviour of these structures in a vehicular environment is also discussed., Cette thèse s'inscrit dans le cadre des systèmes de radiocommunications numériques cellulaires à accès multiple à répartition par codes, CDMA, basé sur la technique d'étalement de spectre. Les ordres de grandeur sont ceux de la liaison descendante du prochain système de 3ème génération de téléphonie mobile, UMTS, dans sa version TDD. Après une description détaillée du contexte, nous dérivons les traitements linéaires optimaux "théoriques" de réception multi-capteur multi-utilisateur opérant symbole par symbole sur le mobile, pour des canaux sélectifs. Ceci à partir d'une représentation en fréquence proposée, et en insistant sur les aspects interprétations. L'application au calcul de performances pour divers modèles d'environnement de l'UMTS mesure l'apport d'une réception sur 2 ou 3 éléments pour lutter efficacement contre les phénomènes duaux d'interférence et d'évanouissement apportés par le canal, de même que le bénéfi ce de la détection conjointe "multi-utilisateur". La dernière partie, plus pragmatique, étudie les structures numériques de réalisation pour essayer de trouve les bons compromis performances/complexité. Nous comparons d'abord la structure linéaire "libre" avec une structure imposée approximant à durée finie la solution linéaire "théorique", et dégageons les caractéristiques souhaitables pour de nouvelles structures "intermédiaires" que nous proposons et étudions à la suite. Enfin nous illustrons le comportement adaptatif de ces structures en environnement "véhicule".

thèse démarrée en Février 1999 et soutenue le 19 Décembre 2001, déroulée au "Laboratoire des Images et des signaux" (devenu Gipsa-lab) en collaboration et financée par France-Telecom R&D (devenu Orange-lab).; In this PhD thesis, we study the concept of multi-sensor detection in cellular digital radio-communication systems using spread spectrum technique of Code-Division Multiple Access. The parameters considered are those of the third generation of mobile communication systems (UMTS) in the TDD mode and downlink communication. After describing the context in detail, we consider the problem of multi-user multi-sensor detection at mobile, and derive the "theoretical" symbol by symbol linear detectors for the case of frequency selective channels. A proposed frequency representation is used, and some interpretations are given. The performance evaluation is then applied to the case of UMTS channel model, where the bene fit of diversity reception with two or three sensors (at mobile) in efficiently combating fading and interference is shown, together with the advantage of joint "multi-user" detection. The more pragmatic last part addresses the study of digital implementation of the linear detectors, with the objective of fi nding tradeoff s between performance and complexity. To this purpose, we first compare the "free" linear structure with an imposed structure derived from the linear "theoretical" solution with finite length approximation. Finally, we point out the desired features for new intermediate structures, which are next proposed and studied. The adaptive behaviour of these structures in a vehicular environment is also discussed.; Cette thèse s'inscrit dans le cadre des systèmes de radiocommunications numériques cellulaires à accès multiple à répartition par codes, CDMA, basé sur la technique d'étalement de spectre. Les ordres de grandeur sont ceux de la liaison descendante du prochain système de 3ème génération de téléphonie mobile, UMTS, dans sa version TDD. Après une description détaillée du contexte, nous dérivons les traitements linéaires optimaux "théoriques" de réception multi-capteur multi-utilisateur opérant symbole par symbole sur le mobile, pour des canaux sélectifs. Ceci à partir d'une représentation en fréquence proposée, et en insistant sur les aspects interprétations. L'application au calcul de performances pour divers modèles d'environnement de l'UMTS mesure l'apport d'une réception sur 2 ou 3 éléments pour lutter efficacement contre les phénomènes duaux d'interférence et d'évanouissement apportés par le canal, de même que le bénéfi ce de la détection conjointe "multi-utilisateur". La dernière partie, plus pragmatique, étudie les structures numériques de réalisation pour essayer de trouve les bons compromis performances/complexité. Nous comparons d'abord la structure linéaire "libre" avec une structure imposée approximant à durée finie la solution linéaire "théorique", et dégageons les caractéristiques souhaitables pour de nouvelles structures "intermédiaires" que nous proposons et étudions à la suite. Enfin nous illustrons le comportement adaptatif de ces structures en environnement "véhicule".

The digital communication systems know a significant expansion because of the more and more important demand for mobility, various services and for the integration of the most recent multimedia applications. The researches presented in this thesis aim to study new communication schemes for mobile radio communication systems as well as indoor communication systems. The new element is the combination of two techniques: spread spectrum which allows to make use of code division multiple access and multicarrier modulations. Thanks to this combination, it is possible to benefit from the OFDM robustness and spectral efficiency, and from multiple access capacity of CDMA techniques. Two schemes combining OFDM and CDMA are particularly detailed and analyzed.The first technique, name MC-CDMA is studied on a multipath Rayleigh fading channel. Several equalization receiver techniques or diversity combining are undertaken and a more general approach to the detection is suggested. It consists in integrating the spreading function into the equalization process in order to improve the detection reliability. These equalization techniques are inserted and combined in different ways into the interference cancelation structures.If the MC-CDMA is generally suggested for synchronous and quasi-synchronous links, MT-CDMA can be used within an asynchronous context. The theoretical performances of this system are developed and compared to DS-CDMA systems' performances.; Les systèmes numériques de communications connaissent un essor considérable sous l'impulsion d'une demande de plus en plus pressante de mobilité, de diversité des services et d'intégration des applications multimédia les plus récentes. Les recherches présentées dans ce mémoire de thèse ont pour but l'étude de nouveaux systèmes de communications qui pourront s'appliquer aussi bien aux systèmes de radiocommunications mobiles qu'aux systèmes de communications à l'intérieur des bâtiments. L'élément nouveau est ici la combinaison de deux techniques : l'étalement de spectre permettant la mise en oeuvre d'un accès multiple à répartition de codes (AMRC) et les modulations à porteuses multiples (OFDM). Cettecombinaison permet de tirer partie de la robustesse et de l'efficacité spectrale de l'OFDM, et de la capacité d'accès multiple des techniques AMRC. Deux techniques associant l'OFDM et l'AMRC sont plus particulièrement analysées.La première technique, l'AMRC à porteuses multiples est étudiée sur un canal de Rayleigh à trajets multiples. En réception, plusieurs techniques d'égalisation ou de traitement de diversité sont mises en oeuvre et une approche plus globale de la détection est proposée. Elle consiste à intégrer la fonction de désétalement dans le processus d'égalisation, permettant ainsi d'améliorer la fiabilité de la détection. Ces techniques d'égalisation sont insérées et combinées de différentes façons dans des structures d'annulation d'interférences.Si le système AMRC à porteuses multiples est généralement proposé pour des liaisons synchrones ou quasi-synchrones, le système AMRCmultipilote peut être utilisé dans un contexte asynchrone. Les performances théoriques de ce système sont développées et comparées aux performances des systèmes AMRC à porteuse unique.