Etudes de la capacité du canal ionosphérique et de la réception par turbo-égalisation adaptative

• Auteur / Autrice : Abderrazek Abdaoui
• Direction : Han Vu Thien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, métrologie et communications
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Paris, CNAM
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ghaïs El Zein

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement adaptatif du signal

Information, Théorie de l'

Kalman, Filtrage de

Modems

Radiofréquences

Résumé

Cette thèse se propose pour objectif de caractériser la capacité théorique du canal ionosphérique et d'améliorer l'estimation du canal, dans une technique de réception numérique par voie ionosphérique, appelée turbo-égalisation. La capacité a été traitée par Lee et Ozarow pour les canaux radio-mobiles TDMA : ceux-ci supposent que l'atténuation d'amplitude de chaque trajet suit une loi de Rayleigh, sans toutefois, préciser les paramètres de cette loi. C'est pourquoi la première partie de ce travail présente une extension des travaux de Lee et d'Ozarow pour les canaux non-stationnaires, tel que le canal ionosphérique. Une expression théorique générale de la capacité a été mise en place en fonction de l'étalement Doppler, ce qui contribua, de façon fort intéressante, à la caractérisation des canaux ionosphériques. Elle permet, en effet, de donner une idée claire sur la limite théorique du débit transmissible par voie ionosphérique en présence d'étalement Doppler et d'interférences entre symboles, créés par les trajets multiples. Cette étude théorique a été finalisée par une application d'estimation de la capacité sur une réalisation réelle du canal ionosphérique, effectuée le jour de l'éclipse solaire du 11 août 1999. Une deuxième partie, étudie et caractérise les estimateurs susceptibles d'être utilisés dans une chaîne de réception ionosphérique à base de turbo-égalisation. En effet, les estimateurs du gradient stochastique (GS) Least Mean Squared (LMS), les algorithmes des moindres carrés récursifs (MCR) Recursive Least Squared (RLS) et le filtre de Kalman (KF) ont fait l'objet d'optimisations des paramètres et de comparaisons, dans un contexte ionosphérique réel et simulé. Ces optimisations et ces comparaisons, nous ont permis de retenir les estimateurs MCR et Kalman comme les plus performants dans un contexte ionosphérique non stationnaire. Enfin, la dernière partie de cette thèse concerne l'implémentation de la turbo-égalisation à base de l'égaliseur linéaire MMSE à entrées sorties souples Soft Input Soft Output (SISO) et des estimateurs MCR et Kalman sur le canal ionosphérique réel et simulé. Le format des trames utilisé a suivi les spécifications de la norme STANAG 4285, nécessaire dans la conception des modems hautes fréquences (HF). Les performances, mesurées en taux d'erreurs par bit et erreurs d'estimation, ont été évaluées par variation du rapport signal à bruit et de l'étalement Doppler. L'estimation par filtre de Kalman a favorisé la réception de façon plus performante que l'algorithme RLS.

The aim of this thesis is to characterize the theoretical capacity of the HF ionospheric channels and to improve the estimate in a receiver based on turbo-equalization. The capacity was treated by Lee and Ozarow for TDMA radio-communications using the hypothesis that each path attenuation is a Rayleigh random variable. This hypothesis is used without specifying any parameter. In a first part, this thesis presents an extension of Lee and Ozarow results for the non-stationary environments such as the ionospheric channel. A general theoretical capacity formula versus the Doppler spread is developed and it is an interesting contribution for the non-stationary channels. This one makes it possible to give a clear idea on the theoretical achievable bit rate of an ionospheric link affected by Doppler spread and inter symbol Interferences (ISI). The theoretical approach was finalized by an application to a real ionospheric communications link realized during the eclipse day (August 11, 1999). In a second part of this thesis, we studied and characterize the estimators likely to be used in the ionospheric turbo-equalizer based on linear filtering. Indeed, the estimators, such as Least Mean Squared (LMS), Recursive Least Squared (RLS) and Kalman filters (KF), were the subject of optimizations and comparisons in a real and simulated ionospheric environments. The optimization and comparisons, enabled us to choose the RLS and the Kalman estimators as being most performant (powerful) in the non stationary ionospheric channel. In a second part of this thesis, we studied and characterize the estimators likely to be used in the ionospheric turbo-equalizer based on linear filtering. Indeed, the estimators, such as Least Mean Squared (LMS), Recursive Least Squared (RLS) and Kalman filters (KF), were the subject of optimizations and comparisons in a real and simulated ionospheric environments. The optimization and comparisons, enabled us to choose the RLS and the Kalman estimators as being most performant (powerful) in the non stationary ionospheric channel. The last part of this thesis relates to the implementation of MMSE turbo-equalizer based on Soft Input Soft Output SISO principal and on RLS and Kalman estimators in the real and simulated ionospheric channel. The transmission is continie in time and the frame pattern is based on the STANAG 4285 HF modem specifications. The performances in bit error rate and the Mean Squared Error (MSE) were evaluated versus signal to noise ratio and Doppler spread. With respect to bit error rate and mean squared error, the estimations based on Kalman filter was more powerful than that using RLS algorithm