This thesis presents the first fully integrated array of high-voltage (HV) digital-to-analog converters (DACs). It was designed in DALSA Semiconductor's 0.8mum CMOS/DMOS HV process technology. The 6-bit 300V DACs are based on a current-steering, thermometer coded architecture. Two designs adapted to the HV technology are proposed for the current-to-high-voltage conversion as traditional output resistor or op-amp solutions are not optimum for the HV process: one uses a high-compliance current mirror, while the other uses a simple current mirror. The DACs show a DNL of 0.16LSB and 1LSB, respectively, while the INL profile is 0.16LSB and 13LSBs for the first and second designs. The array is suited for applications requiring a set of digitally-controlled high-voltage signals.

The bandwidth bottleneck present in the access level of optical networks stimulated research, leading to novel topologies, including passive optical networks. In parallel, the increasing processing power of digital systems led to a similar bottleneck in chip-to-chip and board-to-board communications. Guided-wave optical interconnection on printed-circuit boards is viewed as a potential solution. / This thesis outlines the design, implementation, and testing of a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL)-based optical transmitter in 0.18mum CMOS usable for both applications. Optical transmitter architectures are reviewed and a suitable topology is proposed. The implementation includes an original dual power-rail layout for reduced power consumption. A detailed bias-dependent VCSEL model is developed from experimental data. / Experimental results presented in this thesis are in good agreement with simulations. An errorless data rate of 3.125Gbps is achieved for a total power consumption of 18.35mW, at an average optical output power of 2mW. An error-corrected channel using the proposed optical transmitter can operate at 5Gbps.

Vibrotactile signals are ubiquitous in everyday life, occurring both when manipulating objects and operating power tools. To bring haptics to ambient systems (defined as being embedded in everyday objects), the vibrotactile channel presents itself as a perceptually and energetically efficient method of conveying haptic information. / Mobile phones are by far the most popular haptic-enabled devices. Yet, they are often equipped with common vibration motors of narrow-bandwidth capability. A voice-coil vibrotactile transducer design has been demonstrated to be high-bandwidth and capable of functioning under the same enclosure-vibration paradigm. The transducer was modeled by converting its mechanical free-body diagram into equivalent electrical circuits. The experimentally obtained transfer function was combined with the function established theoretically to obtain the impedance expression for each parameter. / Using the aforementioned actuator, mock cellphones were made for vibrotactile perception experiments. Employing pulsed vibration signals to combat adaptation effects, experiments were performed to study the effect of weight and underlying vibration frequency on perceived strength. Results show that for the same measured acceleration on the device, a heavier box is perceived to vibrate with greater strength. Furthermore, signals with higher underlying frequency are perceived to be weaker for the same measured acceleration. The results obtained from ungrounded, vibrating objects are consistent with previous studies using grounded devices. The findings suggest the need for a systematic correction rule that assists cellphone designers in how to modify the device's vibratory characteristics according to its weight and the operating frequency. / An ambient haptic device is implemented to synthesize haptic cues resulting from an object rolling down and impacting the inside wall of a tubular cavity. When an object rolls or slides, a variety of cues become available for the estimation of its location inside the cavity. These cues are related to the dynamics of an object subjected to the laws of physics such as gravity and friction. Perception experiments were conducted, in which participants attempted to discriminate among three virtual tubes of different lengths after making the virtual ball roll down. The results support the hypothesis that the subjects mastered the laws related to the dynamics of objects under the influence of gravity and used them to perceive the length of the invisible cavities. / Les signaux vibrotactiles sont omniprésents dans la vie quotidienne. Ils se manifestent soit quand on manipule les objets soit lorsque l'on touche des machines. Afin de donner aux "systèmes ambiants" la possibilité de communiquer aux utilisateurs par l'haptique, les signaux vibrotactiles s'avèrent être un moyen efficace, tant au point de vue de leur perception que de la consommation énergétique. fr / Les téléphones portables sont, de loin, les appareils ayant des capacités haptiques les plus communs. Ils sont munis de moteurs vibrants ayant une bande passante limitée. Nous avons réalisé un transducteur vibrotactile à large bande passante et qui permet de faire vibrer la boite entière, comme dans un téléphone portable. Ce transducteur a été modélisé du point de vue de l'électromécanique, puis transformé en circuits électriques équivalents pour en faciliter l'analyse. La fonction de transfert a été obtenue expérimentalement, par puis comparée à la fonction obtenue théoriquement afin d'obtenir l'impédance de chaque composant du transducteur. / Ces transducteurs ont été utilisés dans la fabrication d'appareils pour l'étude de la perception. Une série d'expériences a été menée afin étudier l'effet du poids et de la fréquence de vibration sur la perception vibrotactile. Les résultats démontrent que pour une même accélération, on perçoit les vibrations comme étant plus fortes s'il s'agit d'un objet plus lourd. D'autre part, on les perçoit comme étant plus faibles si elles sont d'une fréquence plus élevée. Ces résultats correspondent à peu près à ceux trouvés avec des appareils fixés au sol. Par conséquent, il serait souhaitable d'avoir des règles de correction des caractéristiques des vibrations d'un appareil mobile en fonction de son poids et la fréquence de stimulation. fr / Un dispositif de simulation haptique a également été construit pour simuler les sensations haptiques résultantent d'un objet qui roule ou glisse au long d'une cavité tubulaire et qui heurte des paroies internes. Lorsqu'un objet roule ou glisse, plusieurs types d'indices haptiques sont disponibles et informent sur la position de l'objet. Ces indices sont liés à la dynamique de l'objet soumis aux lois du mouvement qui résulte de la gravité et de la friction. Une expérience de perception a été effectuée, où les participants faisaient rouler la balle virtuelle et tentaient d'estimer la distance parcourue. Les résultats supportent l'hypothèse que l'on maîtrise les invariants liés à la dynamique d'un objet se déplaceant sous l'influence de la gravité, et qu'on est capable de les utiliser pour percevoir la taille de cavités invisibles. fr

In this work, the design of sampled-data infinite impulse response filters based on time-mode signal processing circuits is presented. Time-mode signal processing (TMSP), defined as the processing of sampled analog information using time-difference variables, has become one of the more popular emerging technologies in circuit design. As TMSP is still relatively new, there is still much development needed to extend the technology into a general signal-processing tool. In this work, a set of general building block will be introduced that perform the most basic mathematical operations in the time-mode. By arranging these basic structures, higher-order time-mode systems, specifically, time-mode filters, will be realized. Three second-order time-mode filters (low-pass, band-reject, high-pass) are modeled using MATLAB, and simulated in Spectre to verify the design methodology. Finally, a damped integrator and a second-order low-pass time-mode IIR filter are both implemented using discrete components. / Dans ce mémoire, la conception de filtres de données-échantillonnées ayant une réponse impulsionnelle infinie basée sur le traitement de signal en mode temporel est présentée. Le traitement de signal dans le domaine temporel (TSDT), définie comme étant le traitement d'information analogique échantillonnée en utilisant des différences de temps comme variables, est devenu une des techniques émergentes de conception de circuits des plus populaires. Puisque le TSDT est toujours relativement récent, il y a encore beaucoup de développements requis pour étendre cette technologie comme un outil de traitement de signal général. Dans cette recherche, un ensemble de blocs d'assemblage capable de réaliser la plupart des opérations mathématiques dans le domaine temporel sera introduit. En arrangeant ces structures élémentaires, des systèmes en mode temporel d'ordre élevé, plus spécifiquement des filtres en mode temporel, seront réalisés. Trois filtres de deuxième ordre dans le domaine temporel (passe-bas, passe-bande et passe-haut) sont modélisés sur MATLAB et simulé sur Spectre afin de vérifier la méthodologie de conception. Finalement, un intégrateur amorti et un filtre passe-bas IIR de deuxième ordre en mode temporel sont implémentés avec des composantes discrètes.

When considering error-correction codes for applications, the most important aspect of a coding scheme becomes the ratio of error-correction performance versus cost. This work studies the decoding of LDPC codes, and presents a new iterative decoding algorithm that represents likelihood as binary stochastic streams, but uses some elements of the sum-product algorithm in its variable node. To convert the stochastic streams to a log-likelihood ratio representation, the algorithm uses the principle of successive relaxation. Because likelihood is represented as stochastic streams, processing nodes only exchange 1 bit messages, which results in a low-complexity interleaver. Simulations show that the proposed algorithm achieves excellent error-correction performance and can outperform the floating-point sum-product algorithm. / We also study the problem of error floors in LDPC codes, and the manner in which it can be addressed at the level of the decoder. After reviewing existing solutions, an alternative technique for lowering error floors is presented. The technique, called redecoding, relies on the randomized progress of a decoding algorithm to successfully decode problematic frames. Simulation of one code shows that redecoding removes the floor at least down to a bit error rate of 10^-12. / Lorsque des codes de correction d'erreur sont utilisés dans des applications, le ratio entre la performance de correction d'erreur et le coût devient l'aspect le plus important du système. La présente thèse se penche sur le décodage des codes LDPC, et présente un nouvel algorithme itératif de décodage qui utilise des chaînes stochastiques binaires pour représenter les probabilités tout en incorporant des éléments de l'algorithme somme-produit dans les noeuds de variables. Le principe de relaxation séquentielle est utilisé pour convertir les chaînes stochastiques `a des valeurs discrètes "LLR". Du fait de la représentation des probabilités sous forme de chaînes stochastiques, les messages échangés entre les noeuds ont un seul bit, ce qui permet de diminuer la complexité de la distribution des messages. Les simulations démontrent que l'algorithme proposé atteint une excellente performance de correction d'erreur, et qu'il peut surpasser l'algorithme somme-produit en virgule flottante. La thèse étudie également le problème des planchers d'erreur relié aux codes LDPC et se penche sur des solutions potentielles au niveau de l'algorithme de décodage. Après avoir passé en revue certaines solutions existantes, une méthode alternative qui permet d'abaisser le plancher d'erreur est présentée. La méthode, baptisée redécodage, tire avantage de la progression aléatoire de l'algorithme de décodage. Les simulations effectuées sur un code démontrent que le redécodage élimine le plancher d'erreur au moins jusqu'à un taux d'erreur par bit de 10^−12.

We present an audio-visual information analysis system for automatic emotion recognition. We propose an approach for the analysis of video sequences which combines facial expressions observed visually with acoustic features to automatically recognize five universal emotion classes: Anger, Disgust, Happiness, Sadness and Surprise. The visual component of our system evaluates the facial expressions using a bank of 20 Gabor filters that spatially sample the images. The audio analysis is based on global statistics of voice pitch and intensity along with the temporal features like speech rate and Mel Frequency Cepstrum Coefficients. We combine the two modalities at feature and score level to compare the respective joint emotion recognition rates. The emotions are instantaneously classified using a Support Vector Machine and the temporal inference is drawn based on scores obtained as the output of the classifier. This approach is validated on a posed audio-visual database and a natural interactive database to test the robustness of our algorithm. The experiments performed on these databases provide encouraging results with the best combined recognition rate being 82%. / Nous présentons un système d'analyse des informations audiovisuelles pour la reconnaissance automatique d'émotion. Nous proposons une méthode pour l'analyse de séquences vidéo qui combine des observations visuelles et sonores permettant de reconnaître automatiquement cinq classes d'émotion universelle : la colère, le dégoût, le bonheur, la tristesse et la surprise. Le composant visuel de notre système évalue les expressions du visage à l'aide d'une banque de 20 filtres Gabor qui échantillonne les images dans l'espace. L'analyse audio est basée sur des données statistiques du ton et de l'intensité de la voix ainsi que sur des caractéristiques temporelles comme le rythme du discours et les coefficients de fréquence Mel Cepstrum. Nous combinons les deux modalités, fonctionnalité et pointage, pour comparer les taux de reconnaissance respectifs. Les émotions sont classifiées instantanément à l'aide d'une « Support Vector Machine » et l'inférence temporelle est déterminée en se basant sur le pointage obtenu à la sortie du classificateur. Cette approche est validée en utilisant une base de données audiovisuelles et une base de données interactives naturelles afin de vérifier la robustesse de notre algorithme. Les expériences effectuées sur ces bases de données fournissent des résultats encourageants avec un taux de reconnaissance combinée pouvant atteindre 82%.

The finite element method (FEM) is a popular method in computational electromagnetics, and tetrahedral meshes are commonly used. However, FEM only provides an approximate solution, and to improve it, adaptive mesh refinement is often used. Bey described a robust refinement algorithm with a good mesh quality in 1995. This thesis implements Bey's method with some extensions: taking into account mesh labelling of boundaries and materials, and providing an interface to an adaptive finite element program. The implementation uses an object-oriented programming language (C++). The quality of the resulting meshes is assessed by means of two geometric indicators and, for the adaptive results, by the number of iterations needed to solve the FE global matrix equation. The results confirm that Bey's method produces meshes of good quality with an acceptable time complexity, suitable for use with FEM. / La méthode des éléments finis (MEF) est une méthode populaire de calcul en électromagnétisme, et les maillages tétraédriques sont couramment utilizés. Toutefois, MEF ne fournit qu'une solution approchée, et par l'améliorer, le raffinement adaptatif de maillage est souvent utilizé. Bey a décrit un algorithme de raffinement robuste avec une bonne qualité de maillage en 1995. Cette thèse met en oeuvre la méthode Bey avec quelques extensions: prise en compte de mailles à l'étiquetage des frontières et du matériel et fournissage d'une interface à un programme d'adaptation des éléments finis. La mise en oeuvre utilizé un langage de programmation orienté objet (C++). La qualité des maillages qui en résulte est évaluée au moyen de deux indicateurs géométriques et, pour les résultats d'adaptation, au le nombre d'itérations nécessaires pour résoudre l'équation de la matrice globale FE. Les résultats confirment que la méthode de Bey produit des maillages de bonne qualité avec une complexité de temps acceptable, convenable pour une utilisation avec des éléments finis.

In this thesis we present a scheme for automating authentication based on social factors using mobile phones. We test its feasibility by running simulations on an existing dataset. We implement two protocols one based on public key infrastructure and the other on hash chains. Then we consider possible threat scenarios. / Web applications such as online banking, online shopping carts, and so on, depend on the user authenticating himself securely. Traditionally this involves a username and password and if more security is required an electronic token is used in addition to this password. Other than these two "factors" there is also biometrics, such as fingerprints, retinal scans and voice recognition. Thus the traditional systems use some combination of these three factors: something you know (passwords), something you have (tokens) and something you are (biometrics). / Recently it has been suggested that a fourth factor: someone you know also be part of the authentication process . This technique has been applied to the problem of emergency authentication, as a replacement for challenge questions or calls to a help-desk. The idea is that the user uses a token and pin to authenticate himself. If the user forgets his token, he can ask a friend who has their token to grant him a temporary password. Thus fourth factor or social authentication is based on the process of vouching. In this method a user asks a friend to vouch for them, that is the friend must recognize the user and then issue some proof of this recognition, which the user then uses to log in to the service. In , this vouching was done explicitly, with the user contacting a friend and literally asking for a vouching code. In this thesis we will use users' cellphones to automate this process. / Whenever a user calls a friend, a token will be issued "vouching" for this contact. These tokens if obtained in sufficient numbers can then be used to prove that a user is who he says he is. In addition to this fourth factor we will make use of other means of authentication. These include a PIN (personal identification number) that must be entered when validating the "vouching" tokens, possibly fingerprint recognition and outputs from other biometric sensors, such as a wrist watch with heart-rate monitor, or shoe with built-in pedometer. In this case we may want two out of three or four of these to match before authenticating the user. / Dans cette thèse nous présentons un système d'automatisation de l'authentification basée sur des facteurs sociaux, utilisant des téléphones mobiles. Nous vérifions sa faisabilité en exécutant des simulations sur un ensemble de données disponible. Nous mettons en œvre deux protocoles l'une basée sur l'infrastructure à clé publiques et l'autre sur les chaînes de hachage. Ensuite, nous considérons les menaces possible. / Les applications Web telles que les services bancaires en ligne, les paniers d'achat en ligne, etc, dépendent de l'authentification de l'utilisateur en toute sécurité. Traditionnellement, ceci néssecite un nom d'utilisateur et un mot de passe et si plus de sécurité est requis un jeton de sécurité est utilisé en plus de ce mot de passe. Hormis ces deux «facteurs» il y a aussi la biométrie, comme les empreintes digitales, empreintes rétiniennes et la reconnaissance vocale. Donc les systèmes traditionnels utilisent une combinaison de ces trois facteurs: quelque chose vous savez (mots de passe), quelque chose que vous avez (jetons) et quelque chose que vous êtes (biométrie). / Récemment, il a été suggéré qu'une quatrième facteur: quelqu'un vous connaissez fases aussi partie du processus d'authentification. Cette technique a été appliquée au problème de l'authentification d'urgence, comme un remplacement pour les questions de défi ou les appels à un centre d'assistance. L'idée est que l'utilisateur utilise un jeton électronique et un NIP pour s'authentifier. Si l'utilisateur oublie son jeton, il peut demander à un ami qui a son jeton de lui accorder un mot de passe temporaire. Ainsi le quatrième facteur ou authentification sociale est fondée sur un processus d'attestation. Dans cette méthode, un utilisateur demande à un ami à se porter garant pour lui, cet ami doit reconnaître l'utilisateur et lui livrer une preuve de cette reconnaissance, que l'utilisateur utilise ensuite pour se connecter au service. En ce cas l'attestation a été fait de manière explicite, l'utilisateur devant contacter un ami et demander code temporaire verbalement. Dans cette thèse, nous utiliserons des téléphones cellulaires afin d'automatiser ce processus. / Chaque fois qu'un utilisateur appelle un ami, un «jeton» sera publié comme «attestation» de ce contact. Ces jetons si ils sont obtenus en nombre suffisants peuvent alors être utilisés pour prouver que l'utilisateur est bien celui qu'il prétend être. En plus de ce quatrième facteur on fera appel à d'autres moyens d'authentification. Il s'agit notamment du code NIP (Numero d'Identification Personnelle) qui doit être entré lors de la validation avec les jetons d'attestation et possiblement la reconnaissance d'empreintes digitales et d'autres signaux en provenance de capteurs biométriques, comme une montre avec cardio-fréquencemètre, ou des chaussures avec podomètre intégré. Dans ce cas, nous voulons vérifier deux sur trois ou deux sur quatre de ces derniers avant l'authentification de l'utilisateur.

The WaferBoard(tm) rapid prototyping platform for electronic systems is proposed as a tool to help meet today's tight delivery time, performance and reliability constraints. At the core of WaferBoard(tm) is the WaferIC(tm), a wafer-scale reconfigurable CMOS circuit. At the surface of this complex circuit is a sea of identical contacts, any pair of which can be interconnected through a mesh grid network called WaferNet(tm). The user can simply deposit packaged integrated circuits on the smart active surface, and then a complex interconnect pattern between these ICs can be established in a matter of minutes. As is the case with development of any novel technology, design of the platform poses several technical challenges. Some of the postprocessing and integration tasks to be accomplished on the CMOS wafer are laid out hereafter. Firstly TSV etching was studied in depth and optimized to obtain vias of aspect ratio up to 15:1. Then the processing of a 0.18μm CMOS TestChip fabricated to validate the WaferIC(tm) concept on a 1/100th scale is outlined. Topside processing is then investigated with the characterization of Anisotropic Conductive Films leading to the choice of an ultra-high fiber density Z-Axis film attached in a novel unbonded manner. / Le WaferBoard(tm) de DreamWafer qui permet de prototyper rapidement des systèmes électroniques est un outil proposé pour répondre aux contraintes de développent grandissantes de nos jours. L'objectif du WaferBoard(tm) est de réduire le temps à la commercialisation et de prototypage, tout en augmentant la fiabilité et la performance des innovations microélectroniques. Au coeur du WaferBoard(tm) se trouve le WaferIC(tm), un circuit CMOS à la taille d'une gaufre. A la surface de ce circuit complexe, un très grand nombre de points de contacts identiques est présent; n'importe quelle paire de ces points peut être interconnectée grâce aux mailles du réseau appelé WaferNet(tm). L'utilisateur peut simplement déposer ses circuits intégrés emcapsulés sur la surface active intelligente qui peut créer un réseau complexe d'interconnections entre les puces en l'espace de quelques minutes. Le développent de la plateforme présente de nombreux défis, comme c'est le cas avec toute nouvelle technologie. Certaines des tâches de post-traitement et d'intégration accomplies sur la gaufre CMOS sont détaillées ci-après. Dans un premier temps, une étude détaillée de la gravure de TSV est fournie, cette dernière est optimisée afin d'obtenir des vias ayant un rapport d'aspect de 15 pour 1. Le traitement d'un CircuitTest CMOS, 0.18μm fabriqué pour valider le concept WaferIC(tm) à une échelle d'un centième est aussi exposé. Sur le dessus de la gaufre, une caractérisation détaillée de films ACF est conduite, pour en fin de compte choisir un film d'ultra-haute densité installé d'une manière innovatrice (déposé sans être attaché).

This thesis investigates substrate integrated waveguide (SIW) based interconnects, components, and systems. SIWs are high performance broadband interconnects with excellent immunity to electromagnetic interference and suitable for use in microwave and millimetre-wave electronics, as well as wideband systems. They are very low-cost in comparison to the classic milled metallic waveguides as they may be developed using inexpensive printed circuit board (PCB) fabrication techniques. In this thesis, the interconnect design is studied by investigating the modes supported by SIW using fullwave simulations. Also, SIW transitions, as well as miniaturization methods to decrease the waveguide footprint are evaluated. Next, a miniaturized Wilkinson SIW power divider is developed exhibiting excellent isolation of up to 40dB between its output ports. Another SIW component investigated in this thesis is an SIW cavity resonator. A circular SIW cavity resonator fed by a microstrip line and via probe through an opening on the top cavity wall is designed. The aperture on the top wall creates a radiating folded slot and measurements show a gain of 7.76dB for this cavity-backed antenna at 16.79GHz. The antenna exhibits a bandwidth of 250MHz (return loss > 10dB). With this resonator, a microwave oscillator is designed to produce a 10dBm tone. Measurements of the fabricated oscillator demonstrate a low phase noise of -82dBc/Hz. Finally, a new SIW component, i.e. tapered SIW reflector, is designed to counteract the dispersive behavior of an SIW interconnect near cutoff. Two dispersion equalization systems are implemented using either a circulator or a coupler to route the compensated reflected signal. The systems are tested when a 1Gbps pseudo-random binary signal is up-converted to 10.7GHz and launched into the SIW interconnect. Observation of the compensated output eye-diagrams reveals achievement of a lower distortion in the highly dispersive band just above the cutoff frequency. / Cette thèse examine des interconnexions, des composantes et des systèmes basés sur des guides d'ondes intégrés au substrat (GIS). Les GIS sont des interconnexions de haute performance à large bande qui possèdent d'excellentes caractéristiques d'immunité contre les interférences électromagnétiques et qu'on pourrait utiliser dans des systèmes microondes et des circuits d'ondes millimétriques. Le coût des GIS est très faible comparativement à celui des guides d'ondes métalliques communs, car leur fabrication utilise des techniques peu coûteuses de production de cartes de circuits imprimés. Cette thèse étudie, au moyen de simulations à onde entière, le design de l'interconnexion et les modes supportés par le GIS. De plus, la thèse évalue les transitions des GIS ainsi que les méthodes de miniaturisation visant à diminuer l'empreinte du guide d'onde. Ensuite, la thèse expose le développement d'un répartiteur de puissance GIS Wilkinson qui possède d'excellentes propriétés isolantes allant jusqu'à 40dB entre les bornes de sortie. La thèse examine aussi une autre composante GIS: un résonateur à cavité GIS. La thèse décrit la conception d'un résonateur à cavité GIS qui est alimenté par une ligne microbande et une sonde passées par une aperture sur le mur supérieur de la cavité. L'aperture dans le mur supérieur crée une encoche plissée rayonnante, et des mesures ont révélé un gain de 7,76dB pour l'antenne adossée d'une cavité de 16,79 GHz. L'antenne possède une bande passante de 250MHz (perte de réflexion > 10dB). En plus de ce résonateur, un oscillateur micro-onde est conçu pour produire une tonalité de 10dBm. Les mesures de l'oscillateur fabriqué montrent un faible bruit de phase de -82dBc/Hz. Enfin, une nouvelle composante de GIS (un réflecteur effilé) est conçue pour compenser la caractéristique dispersive d'une interconnexion GIS près de la fréquence de coupure. Deux systèmes de correction de la disp