Application of the filterbank theory to the analysis and conception of orthogonal and biorthogonal multicarrier modulations

Application de la théorie des bancs de filtres à l'analyse et à la conception de modulations multiporteuses orthogonales et biorthogonales

Cyrille Siclet (1)

1 France Télécom R&D - DMR/DDH - Cesson-Sévigné

The aim of this thesis is to determine new multicarrier modulations being more general and using some prototype filters being better adapted to certain transmission channels. The oversampled BFDM/QAM and BFDM/OQAM techniques which use orthogonal or non orthogonal modulation filters are studied with a discrete-time approach which takes into account their material realization. This study is partly based on the analogy which exists between Weyl-Heisenberg systems and multicarrier modulations, and partly on the analogy between filter banks and multicarrier modulations. A formulation using Weyl-Heisenberg and a realization as a transmultiplexer are provided for both types of modulations. More efficient realization schemes based on Fourier transforms and polyphase filtering are also given. In both cases, we also establish some perfect reconstruction conditions according to the polyphase components of the prototype filters. Optimization techniques providing biorthogonal or orthogonal filters are also described, and the optimized filters are evaluated un the context of different types of transmission channels.

Les modulations multiporteuses ont prouvé leur intérêt pour les transmissions à haut débit, avec fil (ADSL) ou sans fil (DAB, DVB-T, HIPERLAN,...). Les applications citées mettent toutes en oeuvre un cas particulier de modulation multiporteuse, l'OFDM avec un filtre de mise en forme rectangulaire. Le but de cette thèse est de déterminer de nouvelles formes de modulations multiporteuses plus générales et utilisant des filtres de mise en forme mieux adaptés à certains types de canaux de transmission. Les techniques BFDM/QAM suréchantillonnées et BFDM/OQAM qui utilisent des filtres de modulation (dits prototypes) orthogonaux ou non sont ainsi étudiées avec une approche à temps discret qui prend en compte leur réalisation matérielle. Cette étude se base d'une part sur l'analogie existant entre les systèmes de Weyl-Heisenberg et les modulations multiporteuses, et d'autre part sur l'analogie existant entre les bancs de filtres et les modulations multiporteuses. Une écriture à l'aide de familles de Weyl-Heisenberg et une réalisation sous la forme d'un transmultiplexeur sont fournies pour chacune de ces modulations. Dans chacun de ces deux cas, on établit des conditions de biorthogonalité (c'est-à-dire des conditions de démodulation parfaite sur canal parfait) équivalentes portant sur les composantes polyphases des filtres prototypes. On en déduit alors des relations de dualité entre les bancs de filtres MDFT et les modulations BFDM/OQAM. Ceci est aussi équivalent au fait que, pour un type particulier de système de Weyl-Heisenberg dans $\lZ$ considéré comme un espace de Hilbert sur $\R$, deux familles de Weyl-Heisenberg sont biorthogonales, si et seulement si elles constituent deux frames duales. Par ailleurs, l'étude des transmultiplexeurs associés aux modulations BFDM/QAM et BFDM/OQAM conduit à plusieurs schémas de réalisation équivalents mettant en oeuvre des algorithmes de FFT et IFFT et la dualité établie entre les modulations BFDM/OQAM et les bancs de filtres MDFT aboutit à un nouveau codeur en sous-bandes MDFT généralisé et à délai de reconstruction réduit. Deux critères d'optimisation des prototypes sont utilisés : la maximisation de la localisation temps-fréquence et la minimisation de l'énergie hors-bande. Des techniques d'optimisation permettant d'obtenir des filtres orthogonaux ou biorthogonaux quasi-optimaux vis-à-vis de l'un de ces deux critères sont décrites. Enfin, les intérêts respectifs des prototypes orthogonaux et biorthogonaux, optimisés vis-à-vis de l'un ou l'autre de ces critères sont illustrés par des simulations sur différents types de canaux de transmission.

Mots clés: multicarrier modulations; biorthogonality; filterbanks; digital transmissions; Gabor expansions; Weyl-Heisenberg expansions; time-frequency localization

Mots clés: modulations multiporteuses; biorthogonalité; bancs de filtres; communications numériques; familles de Gabor; familles de Weyl-Heisenberg; localisation temps-fréquence

Domaines: Traitement du signal et de l'image [eess.SP]

Cyrille Siclet. Application de la théorie des bancs de filtres à l'analyse et à la conception de modulations multiporteuses orthogonales et biorthogonales. Traitement du signal et de l'image [eess.SP]. Université Rennes 1, 2002. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00006302⟩