Multicarrier transmission techniques (OFDM) for future satellite communications systems

Cette thèse étudie la possibilité d'appliquer les techniques de modulations multiporteuses de type OFDM dans les futurs systèmes de communications par satellite. Elle traite notamment du problème de synchronisation au niveau récepteur pour les systèmes de diffusion par satellite en bande Ka. L'objectif est de proposer une structure de réception ayant besoin du moins de ressources possibles pour synchroniser afin d'optimiser l'efficacité spectrale du système et obtenir un gain par rapport à un système monoporteuse. Une première partie du travail consiste à proposer et valider la structure de synchronisation. Ses performances en termes d'efficacité spectrale sont ensuite évaluées et comparées avec celles du DVB-S et du DVB-S2. Pour finir une étude de la complexité calculatoire de la structure proposée est menée. Les sources d'erreurs de synchronisation ayant été identifiées et leur impact sur les performances du système évalué, il s'avère que, mis à part l'erreur de fréquence horloge, les autres erreurs de synchronisation doivent être estimées et corrigées. La transmission en mode continu dans un système de diffusion par satellite permet l'utilisation d'une structure bouclée de type Non-Data-Aided en réception pour corriger les erreurs de synchronisation. Ceci évite l'utilisation de pilotes et permet ainsi d'améliorer l'efficacité spectrale du système. Cependant, cette structure de type aveugle nécessite une première étape de synchronisation grossière afin de limiter les interférences intersymboles et inter-porteuses pouvant conduire à une non convergence des boucles. Le procédé de synchronisation global s'effectue donc en deux étapes : une étape de synchronisation grossière utilisant l'intervalle de garde et quelques pilotes, suivie d'une étape de synchronisation plus fine utilisant des boucles de type Non-Data-Aided. L'étape de synchronisation grossière est dimensionnée (durée de l'intervalle de garde et nombre de pilotes) pour atteindre les performances d'estimation nécessaires à la convergence des boucles de la structure de synchronisation fine, tout en optimisant l'efficacité spectrale. L'efficacité spectrale obtenue est comparée avec celle des systèmes DVB-S et DVB-S2. Les performances de l'étape de synchronisation fine, en termes de dégradation du taux d'erreur binaire due aux erreurs de synchronisation, sont évaluées en l'absence puis en présence de bruit de phase. Les points de fonctionnement de la structure proposée sont donnés en utilisant les gabarits de bruit de phase des normes DVB-S2 et DVB-SH. Un gabarit de bruit de phase de Wiener conduisant aux gigues acceptées par le DVBS2 à l'entrée du décodeur est établi. Le temps d'accrochage, ainsi que la complexité calculatoire, de la structure proposée sont également évalués.This thesis studies the applicability of OFDM techniques for future satellite telecommunications systems. In particular, he treats the synchronization problem at the receiver for satellite broadcasting systems in Ka band. The system uses QAM modulation with M phase stages and works in continuous mode, at small signal to noise ratio (typically at Eb/N0 = 0dB). The main objective of this thesis is to propose a receiver synchronization structure using as least resources as possible in order to optimize spectral efficiency. Two studies are carried out. The first study consists of proposing and validating a synchronization structure in the aim of optimizing spectral efficiency. The second study evaluates the performance of this structure then, compares it with existing standards such as DVB-S and DVB-S2 in terms of spectral efficiency. For first study, synchronization errors have been identified and their impact on system performance evaluated. These results prove that excepting clock frequency error, other synchronization errors have to be estimed and corrected. The transmission in continuous mode for fixed satellite broadcasting system allows the use of NDA (Non-Data-Aided) loop structure in order to avoid the use of pilots, then improve spectral efficiency. However, these algorithms need a coarse synchronization stage in order to limit interference terms. So, the synchronization includes a coarse stage in order to limit interference terms and a finer stage in order to improve system performance. For coarse synchronization stage, simulation results prove that algorithms using guard interval give better performance than whom using pilots. The second study evaluates performance of the proposed structure. In coarse synchronization stage, this evaluation allows to specify guard interval length then, calculate and compare system performance in terms of spectral efficiency with its in DVB-S and DVB-S2 standards. Then, performance evaluation of fine synchronization stage allows to calculate degradations of the proposed structure in the absence and in presence of phase noise models, one of important parameters in a telecommunications system. This stage allows not only to define operating points of the proposed structure in presence of phase noise models in existing standards but also to define phase noise mask of Wiener model supported by this structure. Finally, a study on the hanging time of the proposed structure allows to evaluate the time neccesary to this structure, based on blind algorithms, to be converged. Another study also evaluates the complexity of this structure. This study shows that the synchronization structure proposed in this thesis uses little resources both in terms of spectral efficiency and number of calculations