De nos jours, les communications sans fil sont devenues un moyen incontournable et universel d'échange d'un large éventail d'informations entre différents systèmes, certains d'entre eux étant en mouvement comme des drones parmi tant d'autres. Dans le contexte de cette thèse nous considérons une liaison entre un projectile et une station de base. La géométrie de la structure ainsi que les contraintes aérodynamiques d'un tir balistique impliquent l'utilisation d'antennes patchs dans la partie conique à l'avant du projectile. Ce type d'antenne est facile à intégrer à une plate-forme en tant que réseau conformé tout en respectant les contraintes d'encombrement. Ces communications doivent être fiables et discrètes dans un environnement perturbé ou hostile. Les diagrammes de rayonnement du réseau d'antennes doivent présenter des caractéristiques spécifiques, notamment dans le cas particulier d'objets volants et possédant une rotation en roulis (rotation autour de son axe) qui impliquent l'utilisation d'un réseau phasé et commuté par rapport à sa position. Une antenne qui présenterait un rayonnement fixe assurerait une liaison avec un interlocuteur, mais rayonnerait également dans d'autres directions sensibles ce qui pourraient interférer avec la communication principale. La solution qui consiste à activer et désactiver des sous-réseaux verticaux afin d'orienter le lobe principal dans la plan orthogonal à la pointe semble être en accord avec les contraintes de la structure tournante. Un réseau conique a été étudié puis 2 prototypes ont été fabriqués, dont un à l'ISL. Les sous-réseaux sont répartis de manière égale autour de la pointe de façon à pouvoir rayonner dans toutes les directions. De plus, chaque sous-réseau est composé de trois éléments ce qui permet d'orienter également le lobe principal dans le plan longitudinal de la pointe (le long de l'axe du projectile) grâce à un dépointage électronique. Un système électronique de formation de faisceaux a été développé dans le but de contrôler 12 éléments rayonnants. Le réseau d'antennes ainsi que le circuit de répartition ont été caractérisés dans un premier temps de manière indépendante afin d'optimiser les lois de phase nécessaires à dépointer le lobe à partir des pondérations mesurées. Au final, le réseau de 12 éléments associé à son système d'alimentation dédié a été mesuré dans les chambres anéchoïques de DGA-MI et de l'ISL et les mesures sont en accord avec les simulations. / Nowadays wireless communications have become a useful and universal mean to exchange a wide range of information between different systems, some of them being moving, as UAVs among others. In this context we consider here the link between a projectile and a base station. The shape of the structure and the aerodynamic constraints involve the use of patch antennas in the conical front part. This class of antenna is easy to be integrated into the platform as a conformal array, while respecting space constraint. Communications have to be reliable and discrete in disturbed or hostile environment. Antennas array radiation patterns must have some specific characteristics, in particular in the case of flying objects with spin which involves the use of a switched phased array considering its roll position. A fixed-radiation pattern antenna may presents a relevant level or gain toward the interlocutor, but also toward sensitive directions, in which may be located others systems, interfering with the current communication. The solution to switch on and off vertical sub-arrays to steer the beam in the azimuthal plane seem convenient ant fitting the requirements of rotating platform. A conical phased array was studied and two prototypes were manufactured, one at ISL. Sub-arrays are distributed around the conical shape in order to be able to radiate in each direction. Moreover, each sub-array are composed of three radiating elements allowing to steer the main antenna beam in many direction (along the projectile fuze axes). A beam forming network was developed to control the 12 radiating elements conical array. The antenna array and the feeding network were characterized independently in order to optimized the phase of each radiating element. Finally, measurements were done on the whole system in the DGA-MI and ISL anechoic chambers and are in good agreement with simulation results.

Les techniques des directions d’arrivée (DOA) sont une voie prometteuse pour accroitre la capacité des systèmes et les services de télécommunications en permettant de mieux estimer le canal radio-mobile. Elles permettent aussi de suivre précisément des usagers cellulaires pour orienter les faisceaux d’antennes dans leur direction. S’inscrivant dans ce contexte, ce présent mémoire décrit étape par étape l’implémentation de l’algorithme de haut niveau MUSIC (MUltiple SIgnal Classification) sur une plateforme FPGA afin de déterminer en temps réel l’angle d’arrivée d’une ou des sources incidentes à un réseau d’antennes. Le concept du prototypage rapide des lois de commande (RCP) avec les outils de XilinxTM System generator (XSG) et du MBDK (Model Based Design Kit) de NutaqTM est le concept de développement utilisé. Ce concept se base sur une programmation de code haut niveau à travers des modèles, pour générer automatiquement un code de bas niveau. Une attention particulière est portée sur la méthode choisie pour résoudre le problème de la décomposition en valeurs et vecteurs propres de la matrice complexe de covariance par l’algorithme de Jacobi. L’architecture mise en place implémentant cette dernière dans le FPGA (Field Programmable Gate Array) est détaillée. Par ailleurs, il est prouvé que MUSIC ne peut effectuer une estimation intéressante de la position des sources sans une calibration préalable du réseau d’antennes. Ainsi, la technique de calibration par matrice G utilisée dans ce projet est présentée, en plus de son modèle d’implémentation. Enfin, les résultats expérimentaux du système mis à l’épreuve dans un environnement réel en présence d’une source puis de deux sources fortement corrélées sont illustrés et analysés. / The techniques of Directions of Arrival (DOA) are a promising way to increase the capacity of systems and telecommunications services to better estimate the mobile-radio channel. They allow precise monitoring of cellular users to orient the antenna beams at them. Therefore, in this context, this paper describes step by step implementation of the high-level algorithm MUSIC (Multiple SIgnal Classification) on an FPGA platform to determine in real time the angle of arrival of one or incident sources to an antenna array. The Rapid Control Prototyping (RCP) with the tools of XilinxTM System generator (XSG) and MBDK (Model Based Design Kit) of NutaqTM is the development concept used. This concept is based on a high level programming code through models, to automatically generate a low-level code. A special attention is devoted to the method chosen to solve the eigenvalues decomposition problem for the complex autocorrelation matrix by Jacobi algorithm. The architecture designed implementing it in FPGA (Field Programmable Gate Array) is detailed. Furthermore, it is proved that MUSIC can perform an interesting estimate of the position of the sources without prior calibration of the antenna array. Thus, the calibration technique G matrix used in this project is presented, in addition to the implementation model. Finally, the experimental results of the system tested in a real environment in the presence of one source then two highly correlated sources are illustrated and analyzed.

Dans le domaine du sans-fil, le nombre d'usagers augmente continuellement et la gourmandise des services, en largeur de bande, prend de plus en plus d'ampleur. De nouvelles techniques sont donc nécessaires pour réduire le plus possible l'utilisation du spectre engorgé. Une des techniques envisageables est celle proposée par M. Sébastien Roy de l'Université Laval. Elle consiste à réaliser un récepteur qui, à partir d'un réseau d'antennes, en sélectionne un sous-ensemble qui sera optimal pour un usager en particulier. Chaque usager aura donc son propre sous-ensemble optimal. Pour le déterminer, il suffit de trouver les antennes qui minimisent les interférents et augmentent le rapport signal sur bruit. Ce mémoire décrit l'implantation sur puce d'une partie de ce brevet, c'est-à-dire l'estimateur du canal à long terme. La stratégie de conception est centrée sur la réduction de l'utilisation des ressources matérielle de la puce. De plus, le design doit être totalement paramétrisable puisque plusieurs données ne sont pas encore connues.

Cette thèse aborde le problème d’estimation des paramètres de signaux d’usagers radio-mobile par traitement avec antenne-réseau. On adopte une approche de traitement théorique rigoureuse au problème en tentant de pallier aux limitations et désavantages des méthodes d’estimation existantes en ce domaine. Les chapitres principaux ont été rédigés en couvrant uniquement les aspects théoriques en lien aux contributions principales, tout en présentant une revue de littérature adéquate sur les sujets concernés. La thèse présente essentiellement trois volets distincts en lien à chacune des contributions en question. Suite à une revue des notions de base, on montre d’abord comment une méthode d’estimation exploitant des statistiques d’ordre supérieur a pu être développée à partir de l’amélioration d’un algorithme existant en ce domaine. On présente ensuite le cheminement qui a conduit à l’élaboration d’une technique d’estimation non linéaire exploitant les propriétés statistiques spécifiques des enveloppes complexes reçues, et ne possédant pas les limitations des algorithmes du second et quatrième ordre. Finalement, on présente le développement relatif à un algorithme d’estimation exploitant le caractère cyclostationnaire intrinsèque des signaux de communication dans un environnement asynchrone naturel. On montre comment un tel algorithme parvient à estimer la matrice de canal des signaux incidents indépendamment du caractère de corrélation spatiotemporel du bruit, et permettant de ce fait même une pleine exploitation du degré de liberté du réseau. La procédure d’estimation consiste en la résolution d’un problème de diagonalisation conjointe impliquant des matrices cibles issues d’une opération différentielle entre des matrices d’autocorrélation obtenues uniquement à partir de statistiques d’ordre deux. Pour chacune des contributions, des résultats de simulations sont présentés afin de confirmer l’efficacité des méthodes proposées. / This thesis addresses the problem of parameter estimation of radio signals from mobile users using an antenna array. A rigorous theoretical approach to the problem is adopted in an attempt to overcome the limitations and disadvantages of existing estimation methods in this field. The main chapters have been written covering only the theoretical aspects related to the main contributions of the thesis, while at the same time providing an appropriate literature review on the considered topics. The thesis is divided into three main parts related to the aforesaid contributions. Following a review of the basics concepts in antenna array processing techniques for signal parameter estimation, we first present an improved version of an existing estimation algorithm expoiting higher-order statistics of the received signals. Subsequently, we show how a nonlinear estimation technique exploiting the specific statistical distributions of the received complex envelopes at the array can be developed in order to overcome the limitations of second and fourth-order algorithms. Finally, we present the development of an estimation algorithm exploiting the cyclostationary nature of communication signals in a natural asynchronous environment. We show how such an algorithm is able to estimate the channel matrix of the received signals independently of the spatial or temporal correlation structure of the noise, thereby enabling a full exploitation of the array’s degree of freedom. The estimation process is carried out by solving a joint diagonalization problem involving target matrices computed by a differential operation between autocorrelation matrices obtained by the sole use of second-order statistics. Various simulation experiments are presented for each contribution as a means of supporting and evidencing the effectiveness of the proposed methods.

Une grande partie des travaux de cette thèse a été guidée par les réflexions mené au sein du groupe de travail " Antennes Réseaux Très Large Bande " du GDR Ondes. Il s'agit de concevoir des antennes réseaux planaires de faible épaisseur (sur plan de masse) très large bande passante. Pour ces travaux la bande de fréquence choisie est celle allouée par la Federal Communications Commission (3.1-10.6GHz). Une première phase de ce travail a consisté à définir le facteur de réseau dans les domaines fréquentiel et temporel. Puis la métrologie particulière pour déterminer les caractéristiques radioélectriques des antennes ULB a été décrite et mise en place grâce à l'installation de deux bancs de mesure : l'un dans le domaine temporel et l'autre dans le domaine fréquentiel. Une antenne planaire originale présentant un diagramme de rayonnement hémisphérique a été conçue. Il s'agit d'une fente rectangulaire dans un plan de masse alimentée par ligne microruban terminée par un stub carré centré dans la largeur de l'ouverture. Une cavité métallique remplie d'air dont les dimensions sont identiques à celles de l'ouverture est soudée du coté du plan de masse. Les performances de l'élément proposé (gain, réponse impulsionnelle, facteur de fidélité, etc...) ont pu alors être mesurées et comparées à celle d'autres éléments. Enfin ce travail a aboutit à la réalisation de deux antennes réseaux planaires à fort gain utilisables dans les systèmes de communication à haut débit et en régime impulsionnel.