Imagerie à haut contraste et caractérisation d'exoplanètes par la spectroscopie intégrale de champ

Cette thèse porte sur l’amélioration des techniques d’imagerie à haut-contraste permettant la détection directe de compagnons à de faibles séparations de leur étoile hôte. Plus précisément, elle s’inscrit dans le développement du Gemini Planet Imager (GPI) qui est un instrument de deuxième génération pour les télescopes Gemini. Cette caméra utilisera un spectromètre à champ intégral (SCI) pour caractériser les compagnons détectés et pour réduire le bruit de tavelure limitant leur détection et corrigera la turbulence atmosphérique à un niveau encore jamais atteint en utilisant deux miroirs déformables dans son système d’optique adaptative (OA) : le woofer et le tweeter. Le woofer corrigera les aberrations de basses fréquences spatiales et de grandes amplitudes alors que le tweeter compensera les aberrations de plus hautes fréquences ayant une plus faible amplitude. Dans un premier temps, les performances pouvant être atteintes à l’aide des SCIs présentement en fonction sur les télescopes de 8-10 m sont investiguées en observant le compagnon de l’étoile GQ Lup à l’aide du SCI NIFS et du système OA ALTAIR installés sur le télescope Gemini Nord. La technique de l’imagerie différentielle angulaire (IDA) est utilisée pour atténuer le bruit de tavelure d’un facteur 2 à 6. Les spectres obtenus en bandes JHK ont été utilisés pour contraindre la masse du compagnon par comparaison avec les prédictions des modèles atmosphériques et évolutifs à 8−60 MJup, où MJup représente la masse de Jupiter. Ainsi, il est déterminé qu’il s’agit plus probablement d’une naine brune que d’une planète. Comme les SCIs présentement en fonction sont des caméras polyvalentes pouvant être utilisées pour plusieurs domaines de l’astrophysique, leur conception n’a pas été optimisée pour l’imagerie à haut-contraste. Ainsi, la deuxième étape de cette thèse a consisté à concevoir et tester en laboratoire un prototype de SCI optimisé pour cette tâche. Quatre algorithmes de suppression du bruit de tavelure ont été testés sur les données obtenues : la simple différence, la double différence, la déconvolution spectrale ainsi qu’un nouvel algorithme développé au sein de cette thèse baptisé l’algorithme des spectres jumeaux. Nous trouvons que l’algorithme des spectres jumeaux est le plus performant pour les deux types de compagnons testés : les compagnons méthaniques et non-méthaniques. Le rapport signal-sur-bruit de la détection a été amélioré d’un facteur allant jusqu’à 14 pour un compagnon méthanique et d’un facteur 2 pour un compagnon non-méthanique. Dernièrement, nous nous intéressons à certains problèmes liés à la séparation de la commande entre deux miroirs déformables dans le système OA de GPI. Nous présentons tout d’abord une méthode utilisant des calculs analytiques et des simulations Monte Carlo pour déterminer les paramètres clés du woofer tels que son diamètre, son nombre d’éléments actifs et leur course qui ont ensuite eu des répercussions sur le design général de l’instrument. Ensuite, le système étudié utilisant un reconstructeur de Fourier, nous proposons de séparer la commande entre les deux miroirs dans l’espace de Fourier et de limiter les modes transférés au woofer à ceux qu’il peut précisément reproduire. Dans le contexte de GPI, ceci permet de remplacer deux matrices de 1600×69 éléments nécessaires pour une séparation “classique” de la commande par une seule de 45×69 composantes et ainsi d’utiliser un processeur prêt à être utilisé plutôt qu’une architecture informatique plus complexe.

Les cartes fonctionnelles dans le cortex visuel du chat : nouvelles stratégies d’évaluation en imagerie optique et mise en évidence de l’organisation anatomo-fonctionnelle

Le regroupement des neurones de propriétés similaires est à l’origine de modules permettant d’optimiser l’analyse de l’information. La conséquence est la présence de cartes fonctionnelles dans le cortex visuel primaire de certains mammifères pour de nombreux paramètres tels que l’orientation, la direction du mouvement ou la position des stimuli (visuotopie). Le premier volet de cette thèse est consacré à caractériser l’organisation modulaire dans le cortex visuel primaire pour un paramètre fondamental, la suppression centre / pourtour et au delà du cortex visuel primaire (dans l’aire 21a), pour l’orientation et la direction. Toutes les études ont été effectuées à l’aide de l’imagerie optique des signaux intrinsèques sur le cortex visuel du chat anesthésié. La quantification de la modulation par la taille des stimuli à permis de révéler la présence de modules de forte et de faible suppression par le pourtour dans le cortex visuel primaire (aires 17 et 18). Ce type d’organisation n’avait été observé jusqu’ici que dans une aire de plus haut niveau hiérarchique chez le primate. Une organisation modulaire pour l’orientation, similaire à celle observée dans le cortex visuel primaire a été révélée dans l’aire 21a. Par contre, contrairement à l’aire 18, l’aire 21a ne semblait pas être organisée en domaine de direction. L’ensemble de ces résultats pourront permettre d’alimenter les connaissances sur l’organisation anatomo-fonctionnelle du cortex visuel du chat mais également de mieux comprendre les facteurs qui déterminent la présence d’une organisation modulaire. Le deuxième volet abordé dans cette thèse s’est intéressé à l’amélioration de l’aspect quantitatif apporté par l’analyse temporelle en imagerie optique des signaux intrinsèques. Cette nouvelle approche, basée sur l’analyse de Fourier a permis d’augmenter considérablement le rapport signal / bruit des enregistrements. Toutefois, cette analyse ne s’est basée jusqu’ici que sur la quantification d’une seule harmonique ce qui a limité son emploi à la cartographie de l’orientation et de rétinotopie uniquement. En exploitant les plus hautes harmoniques, un modèle a été proposé afin d’estimer la taille des champs récepteurs et la sélectivité à la direction. Ce modèle a par la suite été validé par des approches conventionnelles dans le cortex visuel primaire.

Analyse spectroscopique d'étoiles naines blanches riches en hydrogène(DA) : vers des modèles d'atmosphère améliorés sans paramètres libres

Le but de cette thèse est de raffiner et de mieux comprendre l'utilisation de la méthode spectroscopique, qui compare des spectres visibles de naines blanches à atmosphère riche en hydrogène (DA) à des spectres synthétiques pour en déterminer les paramètres atmosphériques (température effective et gravité de surface). Notre approche repose principalement sur le développement de modèles de spectres améliorés, qui proviennent eux-mêmes de modèles d'atmosphère de naines blanches de type DA. Nous présentons une nouvelle grille de spectres synthétiques de DA avec la première implémentation cohérente de la théorie du gaz non-idéal de Hummer & Mihalas et de la théorie unifiée de l'élargissement Stark de Vidal, Cooper & Smith. Cela permet un traitement adéquat du chevauchement des raies de la série de Balmer, sans la nécessité d'un paramètre libre. Nous montrons que ces spectres améliorés prédisent des gravités de surface qui sont plus stables en fonction de la température effective. Nous étudions ensuite le problème de longue date des gravités élevées pour les DA froides. L'hypothèse de Bergeron et al., selon laquelle les atmosphères sont contaminées par de l'hélium, est confrontée aux observations. À l'aide de spectres haute résolution récoltés au télescope Keck à Hawaii, nous trouvons des limites supérieures sur la quantité d'hélium dans les atmosphères de près de 10 fois moindres que celles requises par le scénario de Bergeron et al. La grille de spectres conçue dans ces travaux est ensuite appliquée à une nouvelle analyse spectroscopique de l'échantillon de DA du SDSS. Notre approche minutieuse permet de définir un échantillon plus propre et d'identifier un nombre important de naines blanches binaires. Nous déterminons qu'une coupure à un rapport signal-sur-bruit S/N > 15 optimise la grandeur et la qualité de l'échantillon pour calculer la masse moyenne, pour laquelle nous trouvons une valeur de 0.613 masse solaire. Finalement, huit nouveaux modèles 3D de naines blanches utilisant un traitement d'hydrodynamique radiative de la convection sont présentés. Nous avons également calculé des modèles avec la même physique, mais avec une traitement standard 1D de la convection avec la théorie de la longueur de mélange. Un analyse différentielle entre ces deux séries de modèles montre que les modèles 3D prédisent des gravités considérablement plus basses. Nous concluons que le problème des gravités élevées dans les naines blanches DA froides est fort probablement causé par une faiblesse dans la théorie de la longueur de mélange.

Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.

ECG Noise Removal using GA tuned Sign-Data Least Mean Square Algorithm

Adaptive filter is a primary method to filter Electrocardiogram (ECG), because it does not need the signal statistical characteristics. In this paper, an adaptive filtering technique for denoising the ECG based on Genetic Algorithm (GA) tuned Sign-Data Least Mean Square (SD-LMS) algorithm is proposed. This technique minimizes the mean-squared error between the primary input, which is a noisy ECG, and a reference input which can be either noise that is correlated in some way with the noise in the primary input or a signal that is correlated only with ECG in the primary input. Noise is used as the reference signal in this work. The algorithm was applied to the records from the MIT -BIH Arrhythmia database for removing the baseline wander and 60Hz power line interference. The proposed algorithm gave an average signal to noise ratio improvement of 10.75 dB for baseline wander and 24.26 dB for power line interference which is better than the previous reported works

Climate response to basin-scale warming and cooling of the North Atlantic Ocean

Using experiments with an atmospheric general circulation model, the climate impacts of a basin-scale warming or cooling of the North Atlantic Ocean are investigated. Multidecadal fluctuations with this pattern were observed during the twentieth century, and similar variations--but with larger amplitude--are believed to have occurred in the more distant past. It is found that in all seasons the response to warming the North Atlantic is strongest, in the sense of highest signal-to-noise ratio, in the Tropics. However there is a large seasonal cycle in the climate impacts. The strongest response is found in boreal summer and is associated with suppressed precipitation and elevated temperatures over the lower-latitude parts of North and South America. In August­-September-­October there is a significant reduction in the vertical shear in the main development region for Atlantic hurricanes. In winter and spring, temperature anomalies over land in the extratropics are governed by dynamical changes in circulation rather than simply reflecting a thermodynamic response to the warming or cooling of the ocean. The tropical climate response is primarily forced by the tropical SST anomalies, and the major features are in line with simple models of the tropical circulation response to diabatic heating anomalies. The extratropical climate response is influenced both by tropical and higher-latitude SST anomalies and exhibits nonlinear sensitivity to the sign of the SST forcing. Comparisons with multidecadal changes in sea level pressure observed in the twentieth century support the conclusion that the impact of North Atlantic SST change is most important in summer, but also suggest a significant influence in lower latitudes in autumn and winter. Significant climate impacts are not restricted to the Atlantic basin, implying that the Atlantic Ocean could be an important driver of global decadal variability. The strongest remote impacts are found to occur in the tropical Pacific region in June­-August and September­-November. Surface anomalies in this region have the potential to excite coupled ocean­atmosphere feedbacks, which are likely to play an important role in shaping the ultimate climate response.

Predictability and skill of boreal winter forecasts made with the ECMWF Seasonal Forecasting System II

The performance of boreal winter forecasts made with the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) System 11 Seasonal Forecasting System is investigated through analyses of ensemble hindcasts for the period 1987-2001. The predictability, or signal-to-noise ratio, associated with the forecasts, and the forecast skill are examined. On average, forecasts of 500 hPa geopotential height (GPH) have skill in most of the Tropics and in a few regions of the extratropics. There is broad, but not perfect, agreement between regions of high predictability and regions of high skill. However, model errors are also identified, in particular regions where the forecast ensemble spread appears too small. For individual winters the information provided by t-values, a simple measure of the forecast signal-to-noise ratio, is investigated. For 2 m surface air temperature (T2m), highest t-values are found in the Tropics but there is considerable interannual variability, and in the tropical Atlantic and Indian basins this variability is not directly tied to the El Nino Southern Oscillation. For GPH there is also large interannual variability in t-values, but these variations cannot easily be predicted from the strength of the tropical sea-surface-temperature anomalies. It is argued that the t-values for 500 hPa GPH can give valuable insight into the oceanic forcing of the atmosphere that generates predictable signals in the model. Consequently, t-values may be a useful tool for understanding, at a mechanistic level, forecast successes and failures. Lastly, the extent to which t-values are useful as a predictor of forecast skill is investigated. For T2m, t-values provide a useful predictor of forecast skill in both the Tropics and extratropics. Except in the equatorial east Pacific, most of the information in t-values is associated with interannual variability of the ensemble-mean forecast rather than interannual variability of the ensemble spread. For GPH, however, t-values provide a useful predictor of forecast skill only in the tropical Pacific region.

The potential to narrow uncertainty in projections of regional precipitation change

We separate and quantify the sources of uncertainty in projections of regional (*2,500 km) precipitation changes for the twenty-first century using the CMIP3 multi-model ensemble, allowing a direct comparison with a similar analysis for regional temperature changes. For decadal means of seasonal mean precipitation, internal variability is the dominant uncertainty for predictions of the first decade everywhere, and for many regions until the third decade ahead. Model uncertainty is generally the dominant source of uncertainty for longer lead times. Scenario uncertainty is found to be small or negligible for all regions and lead times, apart from close to the poles at the end of the century. For the global mean, model uncertainty dominates at all lead times. The signal-to-noise ratio (S/N) of the precipitation projections is highest at the poles but less than 1 almost everywhere else, and is far lower than for temperature projections. In particular, the tropics have the highest S/N for temperature, but the lowest for precipitation. We also estimate a ‘potential S/N’ by assuming that model uncertainty could be reduced to zero, and show that, for regional precipitation, the gains in S/N are fairly modest, especially for predictions of the next few decades. This finding suggests that adaptation decisions will need to be made in the context of high uncertainty concerning regional changes in precipitation. The potential to narrow uncertainty in regional temperature projections is far greater. These conclusions on S/N are for the current generation of models; the real signal may be larger or smaller than the CMIP3 multi-model mean. Also note that the S/N for extreme precipitation, which is more relevant for many climate impacts, may be larger than for the seasonal mean precipitation considered here.

Stray light analysis of SALEX instrument

Discrepancies between recent global earth albedo anomaly data obtained from the climate models, space and ground observations call for a new and better earth reflectance measurement technique. The SALEX (Space Ashen Light Explorer) instrument is a space-based visible and IR instrument for precise estimation of the global earth albedo by measuring the ashen light reflected off the shadowy side of the Moon from the low earth orbit. The instrument consists of a conventional 2-mirror telescope, a pair of a 3-mirror visible imager and an IR bolometer. The performance of this unique multi-channel optical system is sensitive to the stray light contamination due to the complex optical train incorporating several reflecting and refracting elements, associated mounts and the payload mechanical enclosure. This could be further aggravated by the very bright and extended observation target (i.e. the Moon). In this paper, we report the details of extensive stray light analysis including ghosts and cross-talks, leading to the optimum set of stray light precautions for the highest signal-to-noise ratio attainable.

Liquid matrices for analyses by UV-MALDI mass spectrometry

Data are presented for a pH-adjustable liquid UV-matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI) matrix for mass spectrometry analysis. The liquid matrix system possesses high analytical sensitivity within the same order of magnitude as that achievable by the commonly used solid UV-MALDI matrices such as 2,5-dihydroxybenzoic acid but with improved spot homogeneity and reproducibility. The pH of the matrix has been adjusted by the addition of up to 0.35% trifluoroacetic acid and up to 200 mM ammonium bicarbonate, achieving an on-target pH range of 3.5-8.6. Alteration of the pH does not seem to affect the overall sample signal intensity or signal-to-noise ratio achievable, nor does it affect the individual peptide ion signals from a mixture of peptides with varying isoelectric points (p1). In addition, the pH adjustment has allowed for the performance of a tryptic digest within the diluted pH-optimized liquid matrix.

Classification of lactose and mandelic acid THz spectra using subspace and wavelet-packet algorithms

This work compares classification results of lactose, mandelic acid and dl-mandelic acid, obtained on the basis of their respective THz transients. The performance of three different pre-processing algorithms applied to the time-domain signatures obtained using a THz-transient spectrometer are contrasted by evaluating the classifier performance. A range of amplitudes of zero-mean white Gaussian noise are used to artificially degrade the signal-to-noise ratio of the time-domain signatures to generate the data sets that are presented to the classifier for both learning and validation purposes. This gradual degradation of interferograms by increasing the noise level is equivalent to performing measurements assuming a reduced integration time. Three signal processing algorithms were adopted for the evaluation of the complex insertion loss function of the samples under study; a) standard evaluation by ratioing the sample with the background spectra, b) a subspace identification algorithm and c) a novel wavelet-packet identification procedure. Within class and between class dispersion metrics are adopted for the three data sets. A discrimination metric evaluates how well the three classes can be distinguished within the frequency range 0. 1 - 1.0 THz using the above algorithms.

An ultra-wide passband (5-30µm) filter for FTIR studies of Photosystem II

This paper reports on the design and manufacture of an ultra-wide (5-30µm) infrared edge filter for use in FTIR studies of the low frequency vibrational modes of metallo-proteins. We present details of the spectral design and manufacture of such a filter which meets the demanding bandwidth and transparency requirements of the application, and spectra that present the new data possible with such a filter. A design model of the filter and the materials used in its construction has been developed capable of accurately predicting spectral performance at both 300K and at the reduced operating temperature at 200K. This design model is based on the optical and semiconductor properties of a multilayer filter containing PbTe (IV-VI) layer material in combination with the dielectric dispersion of ZnSe (II-VI) deposited on a CdTe (II-VI) substrate together with the use of BaF2 (II-VII) as an antireflection layer. Comparisons between the computed spectral performance of the model and spectral measurements from manufactured coatings over a wavelength range of 4-30µm and temperature range 300-200K are presented. Finally we present the results of the FTIR measurements of Photosystem II showing the improvement in signal to noise ratio of the measurement due to using the filter, together with a light induced FTIR difference spectrum of Photosystem II.

Signal detection for orthogonal space-time block coding over time-selective fading channels: the H(i) systems

One major assumption in all orthogonal space-time block coding (O-STBC) schemes is that the channel remains static over the length of the code word. However, time-selective fading channels do exist, and in such case conventional O-STBC detectors can suffer from a large error floor in the high signal-to-noise ratio (SNR) cases. As a sequel to the authors' previous papers on this subject, this paper aims to eliminate the error floor of the H(i)-coded O-STBC system (i = 3 and 4) by employing the techniques of: 1) zero forcing (ZF) and 2) parallel interference cancellation (PIC). It is. shown that for an H(i)-coded system the PIC is a much better choice than the ZF in terms of both performance and computational complexity. Compared with the, conventional H(i) detector, the PIC detector incurs a moderately higher computational complexity, but this can well be justified by the enormous improvement.

Signal detection for orthogonal space-time block coding over time-selective fading channels: a PIC approach for the Gi Systems

One major assumption in all orthogonal space-time block coding (O-STBC) schemes is that the channel remains static over the entire length of the codeword. However, time selective fading channels do exist, and in such case the conventional O-STBC detectors can suffer from a large error floor in the high signal-to-noise ratio (SNR) cases. This paper addresses such an issue by introducing a parallel interference cancellation (PIC) based detector for the Gi coded systems (i=3 and 4).

Mobile-to-mobile MIMO transmit-receive diversity systems: analysis and performance in three-dimensional double-correlated channels

Mobile-to-mobile (M-to-M) communications are expected to play a crucial role in future wireless systems and networks. In this paper, we consider M-to-M multiple-input multiple-output (MIMO) maximal ratio combining system and assess its performance in spatially correlated channels. The analysis assumes double-correlated Rayleigh-and-Lognormal fading channels and is performed in terms of average symbol error probability, outage probability, and ergodic capacity. To obtain the receive and transmit spatial correlation functions needed for the performance analysis, we used a three-dimensional (3D) M-to-M MIMO channel model, which takes into account the effects of fast fading and shadowing. The expressions for the considered metrics are derived as a function of the average signal-to-noise ratio per receive antenna in closed-form and are further approximated using the recursive adaptive Simpson quadrature method. Numerical results are provided to show the effects of system parameters, such as distance between antenna elements, maximum elevation angle of scatterers, orientation angle of antenna array in the x–y plane, angle between the x–y plane and the antenna array orientation, and degree of scattering in the x–y plane, on the system performance. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.