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To deploy high-rate wireless services, future communication networks envisage the use of wide frequency bands. Still, the usual frequency bands in the sub-6 GHz spectrum are extremely limited and expensive. To expand its available spectrum, the forthcoming generation of mobile networks with 5G initiates the use of higher frequencies through the exploitation of millimeter-wave bands. In this search for frequency resources, the sub-THz spectrum from 90 to 300 GHz offers unprecedentedly large available bands, several tens of GHz. Wireless communications in sub-THz frequencies are therefore seen as a foremost solution to achieve Tbit/s data rates and meet the requirements of future wireless connectivity. Nevertheless, existing and mature wireless technologies cannot be directly transposed to the sub-THz bands as they do not consider the specific features of sub-THz communications. Additional research is hence required to design efficient communication systems adapted to the constraints of sub-THz frequencies. Some of the major technological challenges brought by using high carrier frequencies and large bandwidths include: the performance limitations caused by the strong phase impairments of high-frequency oscillators; and the problem of high sampling rates required by the analog-to-digital conversion. In this thesis, the conducted research focuses on the development of the physical layer for sub-THz communication systems and attempts to overcome these technological barriers. Our objective is twofold: to increase the communication data rate and to relax the constraints on radio-frequency architectures. To do so, our approach consists in jointly designing signal processing for the analog and digital domains. The two main contributions of this work are: the optimization of coherent transceivers for strong phase noise channels; and the proposal of dedicated communication systems with non-coherent and high-rate architectures. First, we have proposed optimized transmission schemes for strong phase noise channels including: the modulation, the demodulation, and the link adaptation. The proposed solutions achieve high spectral efficiency communications with relaxed constraints on radio-frequency oscillators. Our results show that the use of optimized transmission schemes greatly contributes to mitigate the impact of phase noise on coherent transceivers. Consequently, our work describes valuable technical solutions to the development of physical layers with high spectral efficiency for the sub-THz spectrum. Second, we have also targeted low-complexity physical layers readily implementable in sub-THz frequencies. We have studied the design of communication systems specifically dedicated to the sub-THz bands using non-coherent architectures. In order to implement high-rate communications with non-coherent architectures, we have considered the use of spatial multiplexing and wide frequency bands. Our work on spatial multiplexing in sub-THz frequencies demonstrates that high-rate communications can be implemented with low complexity and low power architectures using multi-antenna systems and energy detection receivers. Besides, the use of wide bands strongly constrains the analog-to-digital conversion. In order to reduce the required sampling frequencies of converters and to simplify practical implementations, we have proposed a new receiver for high-rate impulse radio systems. We have shown that the proposed receiver architecture, using parallel projections of the received signal in the analog domain, leads to near-optimal performance with significantly reduced sampling frequencies., Les futurs réseaux de communications pour déployer des services sans-fil très haut-débit envisagent l’utilisation de larges bandes de fréquences. Alors que les bandes de fréquences habituelles dans le spectre sub-6 GHz sont extrêmement prisées et limitées, la future génération de réseaux mobile amorce une montée en fréquence en exploitant les bandes millimétriques. Dans cette quête de ressources fréquentielles, le spectre sub-THz, de 90 à 300 GHz, offre des bandes disponibles d'une largeur sans précédent. Les communications sans-fil dans les fréquences sub-THz sont donc considérées comme une solution privilégiée pour atteindre des débits de l’ordre du Tbit/s et ainsi répondre aux futurs besoins de la connectivité sans-fil. Néanmoins, bien qu'elles soient matures, les technologies sans-fil existantes ne peuvent être directement transposées aux bandes sub-THz car elles ne tiennent pas compte des caractéristiques spécifiques des communications sub-THz. Il est donc nécessaire de mener des recherches supplémentaires afin de concevoir des systèmes de communication performants et adaptés aux enjeux et contraintes de ce nouveau spectre. Parmi les principaux défis technologiques amenés par la montée en fréquence et l’utilisation de bandes larges se trouvent les limitations de performance dues aux oscillateurs générant un bruit de phase important et une problématique d’échantillonnage à très haute fréquence. Dans cette thèse, les recherches menées portent sur le développement de la couche physique pour les systèmes de communication sub-THz et tentent de lever ces verrous technologiques. Notre objectif est double : augmenter le débit de données de communication et assouplir les contraintes sur les architectures radiofréquences. Pour ce faire, notre approche consiste à concevoir conjointement le traitement du signal pour les domaines analogique et numérique. Les deux principales contributions de ce travail sont les suivantes : l'optimisation d'émetteurs-récepteurs cohérents pour les canaux à fort bruit de phase ; et la proposition de systèmes de communication dédiés avec des architectures non-cohérentes et haut-débits. Tout d'abord, nous avons proposé des schémas de transmission optimisés pour les canaux à fort bruit de phase comprenant : la modulation, la démodulation, et l'adaptation de lien. Les solutions proposées permettent de réaliser des communications à haute-efficacité spectrale avec des contraintes relâchées sur les oscillateurs radiofréquences. Par conséquent, nos travaux décrivent des solutions techniques précieuses au développement de couches physiques à haute efficacité spectrale pour le spectre sub-THz. Dans un second temps, nous avons également ciblé les couches physiques de faible complexité et simple à mettre en œuvre dans les fréquences sub-THz. Nous avons ainsi étudié la conception de systèmes de communication spécifiquement dédiés au bandes sub-THz utilisant des architectures non cohérentes. Pour réaliser des communications haut-débit avec des architectures non-cohérentes, nous avons notamment considéré l’utilisation du multiplexage spatial et de larges bandes de fréquences. Nos travaux sur le multiplexage spatial dans les fréquences sub-THz démontrent que des communications haut-débit peuvent être réalisées sur des architectures de faible complexité et de faible puissance en utilisant des systèmes multi-antennaire et des récepteurs à détection d'énergie. Par ailleurs, utiliser de larges bandes de fréquences implique de fortes contraintes sur la conversion analogique-numérique. Afin de réduire les fréquences d’échantillonnage des convertisseurs et de simplifier la mise en œuvre pratique, nous avons proposé un nouveau récepteur pour les systèmes radio-impulsionnels haut-débit. Nous avons montré qu’une architecture de réception avec des projections parallèles du signal reçu dans le domaine analogique conduit à des performances quasi-optimales avec des fréquences d'échantillonnage considérablement réduites.

Multivariate time series are the standard tool for describing and analysing measurements from multiple sensors during an experiment. In this work, we discuss different aspects of such representations that are invariant to transformations occurring in practical situations. The main source of inspiration for our investigations are experiments with neural signals from electroencephalography (EEG), but the ideas that we present are amenable to other kinds of time series. The first invariance that we consider concerns the dimensionality of the multivariate time series. Very often, signals recorded from neighbouring sensors present strong statistical dependency between them. We present techniques for disposing of the redundancy of these correlated signals and obtaining new multivariate time series that represent the same phenomenon but in a smaller dimension. The second invariance that we treat is related to time series describing the same phenomena but recorded under different experimental conditions. For instance, signals recorded with the same experimental apparatus but on different days of the week, different test subjects, etc. In such cases, despite an underlying variability, the multivariate time series share certain commonalities that can be exploited for joint analysis. Moreover, reusing information already available from other datasets is a very appealing idea and allows for “data-efficient” machine learning methods. We present an original transfer learning procedure that transforms these time series so that their statistical distributions become aligned and can be pooled together for further statistical analysis. Finally, we extend the previous case to when the time series are obtained from different experimental conditions and also different experimental setups. A practical example is having EEG recordings from subjects executing the same cognitive task but with the electrodes positioned differently. We present an original method that transforms these multivariate time series so that they become compatible in terms of dimensionality and also in terms of statistical distributions. We illustrate the techniques described above on EEG epochs recorded during brain- computer interface (BCI) experiments. We show examples where the reduction of the multivariate time series does not affect the performance of statistical classifiers used to distinguish their classes, as well as instances where our transfer learning and dimension-matching proposals provide remarkable results on classification in cross-session and cross-subject settings. For exploring the invariances presented above, we rely on a framework that parametrizes the statistics of the multivariate time series via Hermitian positive definite (HPD) matrices. We manipulate these matrices by considering them in a Riemannian manifold in which an adequate metric is chosen. We use concepts from Riemannian geometry to define notions such as geodesic distance, center of mass, and statistical classifiers for time series. This approach is rooted on fundamental results of differential geometry for Hermitian positive definite matrices and has links with other well established areas in applied mathematics, such as information geometry and signal processing.; L’utilisation de séries temporelles multi-variées est une procédure standard pour décrire et analyser des mesures enregistrées par plusieurs capteurs au cours d’une expérience. Dans ce travail, nous discutons certains aspects de ces représentations temporelles, invariants aux transformations qui peuvent se produire en situations pratiques. Nos recherches s’inspirent en grande partie d’expériences neurophysiologiques reposant sur l’enregistrement de l’activité cérébrale au moyen de l'électroencéphalographie (EEG), mais les idées que nous présentons ne sont pas restreintes à ce cas particulier et peuvent s’étendre à d'autres types de séries temporelles. La première invariance sur laquelle nous portons notre attention est celle de la dimensionnalité des séries temporelles multi-variées. Bien souvent, les signaux enregistrés par des capteurs voisins présentent une forte dépendance statistique entre eux. Nous introduisons donc l’utilisation de techniques permettant d’éliminer la redondance des signaux corrélés et d’obtenir de nouvelles représentations du même phénomène en dimension réduite. La deuxième invariance que nous traitons est liée à des séries temporelles qui décrivent le même phénomène mais sont enregistrées dans des conditions expérimentales différentes. Par exemple, des signaux enregistrés avec le même appareil expérimental, mais à différents jours de la semaine ou sur différents sujets, etc. Dans de tels cas, malgré une variabilité sous-jacente, les séries temporelles multi-variées partagent certains points communs qui peuvent être exploités par une analyse conjointe. En outre, la réutilisation des informations déjà disponibles à partir d'autres jeux de données est une idée très séduisante et permet l’utilisation de méthodes d'apprentissage automatiques dites «data-efficient». Nous présentons une procédure originale d’apprentissage par transfert qui transforme les séries temporelles de telle sorte que leurs distributions statistiques soient alignées et puissent être regroupées pour une analyse statistique plus poussée. Enfin, nous étendons le cas précédent au contexte où les séries temporelles sont obtenues à partir de différentes conditions expérimentales et de différentes configurations d’enregistrement de données. Nous présentons une méthode originale qui transforme ces séries temporelles multi-variées afin qu'elles deviennent compatibles en termes de dimensionnalité et de distributions statistiques. Nous illustrons les techniques citées ci-dessus en les appliquant à des signaux EEG enregistrés dans le cadre d’expériences d’interface cerveau-ordinateur (BCI). Nous montrons sur plusieurs exemples, avec des simulations et des données réelles, que la réduction de dimension - judicieusement choisie - de la série temporelle multi-variée n’affecte pas les performances de classifieurs statistiques utilisés pour déterminer la classe des signaux, et que notre méthode de transfert d'apprentissage et de compatibilité de dimensionnalité apporte des améliorations remarquables en matière de classification inter-sessions et inter-sujets. Pour explorer les invariances présentées ci-dessus, nous nous appuyons sur l’utilisation de matrices Hermitiennes définies positives (HPD) afin de décrire les statistiques des séries temporelles multi-variées. Nous manipulons ces matrices en considérant qu’elles reposent dans une variété Riemannienne pour laquelle une métrique adéquate est choisie. Nous utilisons des concepts issus de la géométrie Riemannienne pour définir des notions telles que la distance géodésique, le centre de masse ou encore les classifieurs statistiques de séries temporelles. Cette approche repose sur les résultats fondamentaux de la géométrie différentielle pour les matrices Hermitiennes définies positives et est liée à d'autres domaines bien établis en mathématiques appliquées, tels que la géométrie de l'information et le traitement du signal.

This manuscript of ''Habilitation à diriger les Recherches'' (Habilitation to conduct researches) gives me the opportunity to take stock of the last 14 years on my associate professor activities and on my research works in the field of signal processing for digital communications, particularly for radio-mobile communications. The purpose of this signal processing is generally to obtain a robust transmission, despite the passage of digital information through a communication channel disrupted by the mobility between the transmitter and the receiver (Doppler effect), the phenomenon of echoes (multi-path propagation), the addition of noise or interference, or by limitations in bandwidth, in transmitted power or in signal-to-noise ratio. In order to recover properly the digital information, the receiver needs in general to have an accurate knowledge of the channel state. Much of my work has focused on receiver synchronization or more generally on the dynamic estimation of the channel parameters (delays, phases, amplitudes, Doppler shifts, ...). We have developed estimators and studied their performance in asymptotic variance, and have compared them to minimum lower bound (Cramer-rao or Bayesian Cramer Rao bounds). Some other studies have focused only on the recovering of information (''detection'' or ''equalization'' task) by the receiver after channel estimation, or proposed and analyzed emission / reception schemes, reliable for certain scenarios (transmit diversity scheme for flat fading channel, scheme with high energy efficiency, ...).; Ce mémoire de HDR est l'occasion de dresser un bilan des 14 dernières années concernant mes activités d'enseignant-chercheur et mes travaux de recherche dans le domaine du traitement du signal pour les communications numériques, et plus particulièrement les communications radio-mobiles. L'objet de ce traitement du signal est globalement l'obtention d'une transmission robuste, malgré le passage de l'information numérique au travers d'un canal de communication perturbé par la mobilité entre l'émetteur et le récepteur (effet Doppler), le phénomène d'échos, l'addition de bruit ou d'interférence, ou encore par des limitations en bande-passante, en puissance transmise ou en rapport-signal à bruit. Afin de restituer au mieux l'information numérique, le récepteur a en général besoin de disposer d'une connaissance précise du canal. Une grande partie de mes travaux s'est intéressé à l'estimation dynamique des paramètres de ce canal (retards, phases, amplitudes, décalages Doppler, ...), et en particulier à la synchronisation du récepteur. Quelques autres travaux se sont intéressés seulement à la restitution de l'information (tâches de ''détection'' ou d' ''égalisation'') par le récepteur une fois le canal estimé, ou à des schémas d'émission / réception spécifiques. La synthèse des travaux commence par une introduction générale décrivant les ''canaux de communications'' et leurs problèmes potentiels, et positionne chacun de mes travaux en ces termes. Une première partie s'intéresse aux techniques de réception pour les signaux à spectre étalé des systèmes d'accès multiple à répartition par codes (CDMA). Ces systèmes large-bande offrent un fort pouvoir de résolution temporelle et des degrés de liberté, que nous avons exploités pour étudier l'égalisation et la synchronisation (de retard et de phase) en présence de trajets multiples et d'utilisateurs multiples. La première partie regroupe aussi d'autres schémas d'émission/réception, proposés pour leur robustesse dans différents scénarios (schéma à diversité pour canaux à évanouissement plats, schéma à forte efficacité énergétique, ...). La seconde partie est consacrée à l'estimation dynamique Bayésienne des paramètres du canal. On suppose ici qu'une partie des paramètres à estimer exhibe des variations temporelles aléatoires selon une certaine loi à priori. Nous proposons d'abord des estimateurs et des bornes minimales d'estimation pour des modèles de transmission relativement complexes, en raison de la distorsion temporelle due à la forte mobilité en modulation multi-porteuse (OFDM), ou de la présence de plusieurs paramètres à estimer conjointement, ou encore de non linéarités dans les modèles. Nous nous focalisons ensuite sur le problème d'estimation des amplitudes complexes des trajets d'un canal à évolution lente (à 1 ou plusieurs bonds). Nous proposons des estimateurs récursifs (dénommés CATL, pour ''Complex Amplitude Tracking Loop'') à structure imposée inspirée par les boucles à verrouillage de phase numériques, de performance asymptotiques proches des bornes minimales. Les formules analytiques approchées de performances asymptotiques et de réglages de ces estimateurs sont établies sous forme de simples fonctions des paramètres physiques (spectre Doppler, retards, niveau de bruit). Puis étant donné les liens établis entre ces estimateurs CATL et certains filtres de Kalman (construits pour des modèles d'état de type marche aléatoire intégrée), les formules approchées de performances asymptotiques et de réglage de ces filtres de Kalman sont aussi dérivées.

This manuscript of ''Habilitation à diriger les Recherches'' (Habilitation to conduct researches) gives me the opportunity to take stock of the last 14 years on my associate professor activities and on my research works in the field of signal processing for digital communications, particularly for radio-mobile communications. The purpose of this signal processing is generally to obtain a robust transmission, despite the passage of digital information through a communication channel disrupted by the mobility between the transmitter and the receiver (Doppler effect), the phenomenon of echoes (multi-path propagation), the addition of noise or interference, or by limitations in bandwidth, in transmitted power or in signal-to-noise ratio. In order to recover properly the digital information, the receiver needs in general to have an accurate knowledge of the channel state. Much of my work has focused on receiver synchronization or more generally on the dynamic estimation of the channel parameters (delays, phases, amplitudes, Doppler shifts, ...). We have developed estimators and studied their performance in asymptotic variance, and have compared them to minimum lower bound (Cramer-rao or Bayesian Cramer Rao bounds). Some other studies have focused only on the recovering of information (''detection'' or ''equalization'' task) by the receiver after channel estimation, or proposed and analyzed emission / reception schemes, reliable for certain scenarios (transmit diversity scheme for flat fading channel, scheme with high energy efficiency, ...)., Ce mémoire de HDR est l'occasion de dresser un bilan des 14 dernières années concernant mes activités d'enseignant-chercheur et mes travaux de recherche dans le domaine du traitement du signal pour les communications numériques, et plus particulièrement les communications radio-mobiles. L'objet de ce traitement du signal est globalement l'obtention d'une transmission robuste, malgré le passage de l'information numérique au travers d'un canal de communication perturbé par la mobilité entre l'émetteur et le récepteur (effet Doppler), le phénomène d'échos, l'addition de bruit ou d'interférence, ou encore par des limitations en bande-passante, en puissance transmise ou en rapport-signal à bruit. Afin de restituer au mieux l'information numérique, le récepteur a en général besoin de disposer d'une connaissance précise du canal. Une grande partie de mes travaux s'est intéressé à l'estimation dynamique des paramètres de ce canal (retards, phases, amplitudes, décalages Doppler, ...), et en particulier à la synchronisation du récepteur. Quelques autres travaux se sont intéressés seulement à la restitution de l'information (tâches de ''détection'' ou d' ''égalisation'') par le récepteur une fois le canal estimé, ou à des schémas d'émission / réception spécifiques. La synthèse des travaux commence par une introduction générale décrivant les ''canaux de communications'' et leurs problèmes potentiels, et positionne chacun de mes travaux en ces termes. Une première partie s'intéresse aux techniques de réception pour les signaux à spectre étalé des systèmes d'accès multiple à répartition par codes (CDMA). Ces systèmes large-bande offrent un fort pouvoir de résolution temporelle et des degrés de liberté, que nous avons exploités pour étudier l'égalisation et la synchronisation (de retard et de phase) en présence de trajets multiples et d'utilisateurs multiples. La première partie regroupe aussi d'autres schémas d'émission/réception, proposés pour leur robustesse dans différents scénarios (schéma à diversité pour canaux à évanouissement plats, schéma à forte efficacité énergétique, ...). La seconde partie est consacrée à l'estimation dynamique Bayésienne des paramètres du canal. On suppose ici qu'une partie des paramètres à estimer exhibe des variations temporelles aléatoires selon une certaine loi à priori. Nous proposons d'abord des estimateurs et des bornes minimales d'estimation pour des modèles de transmission relativement complexes, en raison de la distorsion temporelle due à la forte mobilité en modulation multi-porteuse (OFDM), ou de la présence de plusieurs paramètres à estimer conjointement, ou encore de non linéarités dans les modèles. Nous nous focalisons ensuite sur le problème d'estimation des amplitudes complexes des trajets d'un canal à évolution lente (à 1 ou plusieurs bonds). Nous proposons des estimateurs récursifs (dénommés CATL, pour ''Complex Amplitude Tracking Loop'') à structure imposée inspirée par les boucles à verrouillage de phase numériques, de performance asymptotiques proches des bornes minimales. Les formules analytiques approchées de performances asymptotiques et de réglages de ces estimateurs sont établies sous forme de simples fonctions des paramètres physiques (spectre Doppler, retards, niveau de bruit). Puis étant donné les liens établis entre ces estimateurs CATL et certains filtres de Kalman (construits pour des modèles d'état de type marche aléatoire intégrée), les formules approchées de performances asymptotiques et de réglage de ces filtres de Kalman sont aussi dérivées.

— Insects, like hoverflies are able of outstanding performances to avoid obstacles, reject disturbances and hover or track a target with great accuracy. These means that fast sensory motor reflexes are at work, even if they are minimalist, they are perfectly optimized for the flapping flightat insect scale. Additional refined mechanisms, like gaze stabilization relative to the body, allow to increase their flight capacity.In this PhD thesis, we present the design of a quadrotor, which is highly similar to an insect in terms of perception (visual system) and implements a bio-inspired gaze control system through the mechanical decoupling between the body and the visual system. The design of the quadrotor (open-source), its pilot and its decoupled eye are thoroughly detailed. New visual processing algorithms make it possible to faithfully track a moving target, in spite of a very limited number of pixels (only 24 pixels). Using this efficient gaze stabilization, we developed new strategies to stabilize the robot above a target and finely control its position relative to the target. These new strategies do not need classical aeronautic sensors like accelerometers and magnetometers. As a result, the quadrotor is able to take off, move and land automatically using only its embedded rate-gyros, its insect-like eye, and an altitude measurement. All these experiments were validated in a flying arena equipped with a VICON system.Finally, we describe a new toolbox, called RT-MaG toolbox, which generate automatically a real-time standalone application for Linux systems from a Matlab/Simulink model (http://www.gipsa-lab.fr/projet/RT-MaG/). These make it possible to simulate, design control laws and monitor the robot’s flight in real-time using only Matlab/Simulink. As a result, the "time-to-flight" is considerably reduced and the final application is highly reconfigurable (real-time monitoring, parameter tuning, etc.), Les insectes sont capables de prouesses remarquables lorsqu’il s’agit d’éviter des obstacles, voler en environnement perturbé ou poursuivre une cible. Cela laisse penser que leurs capacités de traitement, aussi minimalistes soient-elles, sont parfaitement optimisées pour le vol. A cela s’ajoute des mécanismes raffinés, comme la stabilisation de la vision par rapport au corps, permettant d’améliorerencore plus leurs capacités de vol.Ces travaux de thèse présentent l’élaboration d’un micro drone de type quadrirotor, qui ressemble fortement à un insecte sur le plan perceptif (vibration rétinienne) et reprend des points structurels clés, tels que le découplage mécanique entre le corps et le système visuel. La conception du quadrirotor (de type open-source), son pilotage automatique et son système occulo-moteur sont minutieusement détaillés. Des traitements adaptés permettent, malgré un très faible nombre de pixels (24 pixels seulement), de poursuivre finement du regard une cible en mouvement. A partir de là, nous avons élaboré des stratégies basées sur le pilotage par le regard, pour stabiliser le robot en vol stationnaire, à l’aplomb d’une cible et asservir sa position ; et ce, en se passant d’une partie des capteurs habituellement utilisés en aéronautique tels que les magnétomètres et les accéléromètres. Le quadrirotor décolle, se déplace et atterrit de façon autonome en utilisant seulement ses gyromètres, son système visuel original mimant l’œil d’un insecte et une mesure de son altitude. Toutes les expérimentations ont été validées dans une arène de vol, équipée de caméras VICON.Enfin, nous décrivons une nouvelle toolbox qui permet d’exécuter en temps réel des modèles Matlab/Simulink sur des calculateurs Linux embarqués de façon complètement automatisée (http://www.gipsa-lab.fr/projet/RT-MaG/). Cette solution permet d’écrire les modèles, de les simuler, d’élaborer des lois de contrôle pour enfin, piloter en temps réel, le robot sous l’environnement Simulink. Cela réduit considérablement le "time-to-flight" et offre une grande flexibilité (possibilité de superviser l’ensemble des données de vol, de modifier en temps réel les paramètres des contrôleurs, etc.)