Étude de nouvelles méthodes de design, d'implémentation, de synchronisation et d’égalisation pour le système de modulation FBMC/OQAM

Study of new methods of design, implementation, synchronization and equalization for the FBMC/OQAM systems

• Auteur / Autrice : Youssef Dandach
• Direction : Pierre Siohan, Laurent Albera
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et télécommunications
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse temps-fréquence

Multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence

Traitement du signal

Résumé

Cette thèse a pour principal objectif l'étude d'une modulation multiporteuse alternative à l'OFDM et connue actuellement sous le nom d'OFDM/OffsetQAM, ou encore, en relation avec ses réalisations sous forme de bancs de filtres, par l'acronyme FBMC/OQAM. Une première différence importante entre l'OFDM et cette variante est liée au codage OQAM, qui introduit un décalage temporel entre la partie réelle et imaginaire des symboles de données complexes à transmettre. Cette thèse rappelle les caractéristiques essentielles de la modulation monoporteuse OQAM et étudie ses liens avec la modulation multiporteuse FBMC/OQAM, où chaque sous-porteuse est modulée en OQAM. A la différence de l'OFDM conventionnel, la modulation FBMC/OQAM peut fonctionner sans l'ajout d'un préfixe cyclique (CP), et donc sans perte d'efficacité spectrale, et elle peut fournir également, avec un filtre prototype approprié une forme d'onde bien localisée en temps et fréquence. Nous proposons dans cette thèse une méthode d'optimisation de ce filtre prototype permettant d'assurer un compromis entre ses mesures de localisation en temps et en fréquence tout en assurant sa parfaite orthogonalité. Dans la structure de bancs de filtres modulés du FBMC/OQAM, le fait de séparer partie réelle et imaginaire des données font que dans la réalisation sous forme d'algorithmes rapides, les transformées de Fourier rapides (FFT) doivent fonctionner à une cadence doub le de celle nécessaire à l'OFDM. Dans cette thèse, nous mettons en évidence une propriété du signal FBMC/OQAM qui, tout en préservant la contrainte de causalité, aboutit à une réduction importante, de l'ordre de 2, de la complexité opératoire du modulateur. Pour le système FBMC/OQAM, par rapport à l'OFDM, l'avantage en termes de localisation fréquentielle s'obtient grâce à l'utilisation d'un filtre prototype suffisamment long et au prix d'un recouvrement des signaux multiporteuses générés par le modulateur. Ce recouvrement peut-être pénalisant dans le cas d'une transmission sous forme de paquets courts. Nous proposons une solution, en OQAM et en FBMC/OQAM, à ce problème potentiel avec des mises en œuvre où la longueur de paquets n'excède pas la durée des données utiles, tout en assurant l'orthogonalité parfaite dans des conditions de transmission idéales. Cette thèse traite également de la synchronisation temporelle et fréquentielle du signal FBMC/OQAM lorsque celle-ci peut s'effectuer à partir de données pilotes transmises sous forme de préambule. Les méthodes proposées utilisent des propriétés du signal FBMC/OQAM et se traduisent à la fois par l'obtention de préambules très courts et des estimateurs à faible complexité. Finalement, une famille de méthodes non-coopératives est proposée pour égaliser le signal FBMC/OQAM après transmission dans un canal multi-trajets. L'identification aveugle du canal est traitée dans le domaine fréquentiel en exploitant les statistiques d'ordre deux et/ou quatre.

The main objective of this thesis is to study an alternative multicarrier modulation (MC) to the OFDM one. This alternative scheme is known as OFDM/OffsetQAM or, more generally, as FBMC/OQAM because its implementation is related to the one of a given type of Filter Bank (FB). The most important difference between OFDM and this alternative modulation is the OQAM coding which introduces a temporal offset between the real and imaginary part of complex symbols. Thanks to this coding, FBMC/OQAM can provide, in contrary to OFDM, a time-frequency well-localized pulse shape. Then, a cyclic prefix is no longer required to reduce the interferences introduced by the transmission through a dispersive channel. In this thesis, we propose to introduce a new criterion to optimize the FBMC/OQAM pulse shape. But on the realization side, the FBMC/OQAM presents an implementation drawback. Indeed, compared to OFDM at the same bit rate, the Inverse Fourier Transform has to run twice faster. In this thesis, we highlight a FBMC/OQAM signal property that can lead to an important reduction (a factor of 2) of the computational complexity. Another potential weakness of the FBMC/OQAM scheme is related to the packet transmission mode. Then, in order to be able to recover the transmitted symbols, and avoid interferences between the data packets,. The duration required for transmitting the data symbols has to be increased, because of the overlapping between FBMC/OQAM pulse shapes, In this thesis, we propose a solution to this potential problem and we, thus, increase the spectral efficiency of the transmission packet mode. The timing and frequency synchronization problem has also been studied in this thesis. The proposed methods exploit signal properties which lead to short preambles and low estimators’ complexity. Finally, a family of blind channel identification methods, based on the order 2 and 4 signal statistics, has been proposed. This identification is done, in contrary to most blind methods, in the frequency domain.