Synchronization, detection and equalization for Continuous Phase Modulation over doublyselective channels

Si les drones militaires connaissent un développement important depuis une quinzaine d’année, suivi depuis quelques années par les drones civiles dont les usages ne font que se multiplier, en réalité les drones ont un siècle avec le premier vol d’un avion équipé d’un système de pilotage automatique sur une centaine de kilomètre en 1918. La question des règles d’usage des drones civiles sont en cours de développement malgré leur multiplication pour des usages allant de l’agriculture, à l’observation en passant par la livraison de colis. Ainsi, leur intégration dans l’espace aérien reste un enjeu important, ainsi que les standards de communication avec ces drones dans laquelle s’inscrit cette thèse. Cette thèse vise en effet à étudier et proposer des solutions pour les liens de communications des drones par satellite.L’intégration de ce lien de communication permet d’assurer la fiabilité des communications et particulièrement du lien de Commande et Contrôle partout dans le monde, en s’affranchissant des contraintes d’un réseau terrestre (comme les zones blanches). En raison de la rareté des ressources fréquentielles déjà allouées pour les futurs systèmes intégrant des drones, l’efficacité spectrale devient un paramètre important pour leur déploiement à grande échelle et le contexte spatiale demande l’utilisation d’un système de communication robuste aux non-linéarités. Les Modulations à Phase Continue permettent de répondre à ces problématiques. Cependant, ces dernières sont des modulations non-linéaire à mémoire entraînant une augmentation de la complexité des récepteurs. Du fait de la présence d’un canal multi-trajet (canal aéronautique par satellite), le principal objectif de cette thèse est de proposer des algorithmes d’égalisation (dans le domaine fréquentiel pour réduire leur complexité) et de synchronisation pour CPM adaptés à ce concept tout en essayant de proposer une complexité calculatoire raisonnable. Dans un premier temps, nous avons considéré uniquement des canaux sélectifs en fréquence et avons étudier les différents égaliseurs de la littérature. En étudiant leur similitudes et différences, nous avons pu développer un égaliseur dans le domaine fréquentiel qui proposant les mêmes performances a une complexité moindre. Nous proposons également des méthodes d’estimation canal et une méthode d’estimation conjointe du canal et de la fréquence porteuse. Dans un second temps nous avons montré comment étendre ces méthodes à des canaux sélectifs en temps et fréquence permettant ainsi de conserver une complexité calculatoire raisonnable.If the use of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) has been booming for military applications since adecade, followed by civil applications since a few years (with a lot of completely different purposes), the first UAV has been developed and tested in 1918 with the first flight of a fight withthe first autopilot system. The issue of a complete and safe integration in the existing air trafficair craft system is currently being studied as the multiple use case of UAV are growing exponentially from agriculture, observation and package delivery. Hence, the integration of UAV inthe air traffic system is a global issue, and so are the communication standard in which the thesis take place. This thesis aims to study and propose solutions for the communication link by satellitefor UAV. This satellite link would ensure the reliability of the system, and above all of theCommand and Control Link, by avoiding the issue of a terrestrial communication network (such asover the ocean, where no terrestrial network is available). Due to spectral resource lack alreadyallocated for the UAV, the spectral efficiency of the communication link is a critical issue, as its robustness to non-linearity due to the spatial context. Continuous Phase Modulation is a potentialsolution to answer to those issues. However, this will lead to an increased computational complexity at the received compared to linear modulation scheme The aeronautical channel bysatellite is characterized by a doubly-selective channels due to Ground Reflections of the signal,and in this thesis, we proposed equalization algorithms and synchronization techniques for CPM in this context while trying to keep a reasonable computational complexity a. First, we have only considered transmission over frequency selective channels. We have made a study of the equalizers proposed by the literature and by studying their similitudes and differences, we have been able to propose a new equalizer with a lower computational complexity but having the same performance. We also have proposed a channel estimation method and a joint channel and carrier frequency estimation for CPM over frequency-selective channels. In a second time, we have extended our method to doubly selective channel (as there is Doppler Spread in our communication system due to the UAV speed) which allows us to have an overall receiver structure with a reasonable computational complexity