Une nouvelle approche de la conversion numérique analogique des signaux RF est proposée au sein d'une chaîne d'émission basée sur le principe de la modulation delta-sigma qui fournit un signal sur 1 bit à haute cadence dans le cadre de la recherche sur la radio logicielle. Le standard choisi pour démontrer ce concept est l'UMTS. La conversion numérique analogique du signal radiofréquence a été réalisée en mode tension pour des raisons d'efficacité par l'intermédiaire d'un amplificateur de puissance commuté. Afin de générer suffisamment de puissance avec les technologies submicroniques fonctionnant à faibles tensions d'alimentation, un combineur de puissance différentiel cinq voies avec des lignes de transmission à éléments localisés a été réalisé dans des technologies CMOS 65nm et IPD (Integrated Passive Devices), toutes deux développées par ST Microelectronics. Cette architecture offre en plus la possibilité de réaliser un filtre semi numérique reconfigurable qui permet de créer des zéros de transmission dans les bandes voisines du standard considéré. Les mesures réalisées sur un système comprenant le générateur numérique delta-sigma ainsi que le combineur de puissance à lignes de transmission et le filtrage numérique reconfigurable permettent de valider les différents principes développés dans cette thèse. Le combineur de puissance permet d'obtenir une puissance de 18dBm pour un signal sinusoïdal dans la bande fondamentale grâce à un gain en puissance relatif pour cinq voies de 14dB à 1.2GHz. / Ln this work a novel approach to D/A conversion of RF signais is developed in the context of a transmission chain based on delta-sigma modulation, providing a very high speed 1 bit digital signal, suitable for software-defined radio (SDR). The standard chosen to demonstrate this con cep is UMTS. Digital to analogue conversion is realized here in a voltage-mode for efficiency reasons thanks to a switching Power Amplifier. ln order to provide enough power with low voltage deep-submicron technologies, a five channels differential power combiner using lumped element transmission lines has been realised in 65nm CMOS and Integrated Passive Devices (IPD) processes, both developed by ST Microelectronics. A reconfigurable semi-digital filter can be realized in the latter architecture ln order to create notches in the nearby frequency bands. Measurements are made on a full system, comprising a digital delta-sigma signal generator, a 5-path power combiner and a reconfigurable digital filtering. The 5-path power combiner allows a maximal output power for a single tone in fundamental band of 18dBm thanks to a 14dB relative power gain at 1.2GHz.

Le concept de Radio Logicielle propose d’intégrer en un seul circuit un émetteur / récepteur RF capable d’émettre et de recevoir n’importe quel signal RF. Cependant, ce concept doit a?ronter des contraintes technologiques dans le cas des terminaux mobiles. La contrainte principale est la consommation de puissance du terminal. En e?et, la conversion analogique numérique qui est la clé de ce système en est aussi le principal verrou technique. Cette thèse présente une architecture de récepteur en rupture avec les architectures classiques a?n de surmonter le problème de la conversion analogique numérique. Il s’agit d’un processeur analogique de traitement du signal dédié à la Radio Logicielle intégrale dans la gamme de fréquence 0 à 5GHz. Sa conception et les mesures d’un prototype sont présentées. / Many technological bottlenecks prevent from realizing a Software Radio (SR) mobile terminal. The old way of building radio architectures is over due to the numerous communication standards a single handeld terminal have to address nowadays. This thesis exposes a disruptive SR receiver: a Sampled Analog Signal Processor (SASP) is designed and brought into play to perform downconversion and channel presort. It processes analog voltage samples in order to recover in baseband any RF signal emitted from 0 to 5GHz. An analog Fast Fourier Transform achieves both frequency shifting and ?ltering. A prototype using 65nm CMOS technology from STMicroelectronics is here presented and measured.

Une utilisation intelligente de l’espace Hertzien sera nécessaire pour permettre aunombre croissant d’objets sans-fil connectés de communiquer dans le même espace de propagation.Ces travaux de thèse proposent une architecture d’émetteur radiofréquence flexible, faiblecoût et faible consommation, en rupture avec les techniques conventionnelles. Cet émetteur estfondé sur un encodage de la dérivée du signal à générer, ce qui permet de réduire le coût énergétiquede la conversion de l’information. Un convertisseur numérique analogique compatibleavec cette architecture est présenté et ses performances sont évaluées dans le cadre de la générationde signaux radiofréquence. Les résultats de mesures obtenus avec un prototype réalisé entechnologie CMOS 65 nm apporte la preuve du concept. / The increasing density of wireless devices and the associated communication flowssharing the same air interface will require a smart and agile use of frequency resources. Thisthesis proposes a flexible, low cost and low power disruptive transmitter architecture. It usesa differentiating coding scheme which leverages a mathematical and technological reduction ofthe energy cost of information conversion. The design of a DAC suited to this architecture isdeveloped and its performances are assessed toward RF signal generation. The measurementsof a demonstrator designed in 65 nm CMOS technology bring a proof of concept.

Dans cette thèse nous proposons une méthodologie de co-conception logicielle/matérielle pour les systèmes de radio logicielle, et plus généralement pour les systèmes électroniques embarqués, permettant de répondre aux défis imposés par la conception de tels systèmes et d'améliorer la productivité. Basée sur une démarche de conception dirigée par les modèles (dérivée de l'ingénierie dirigée par les modèles), notre méthodologie de co-conception permet une modélisation de haut niveau, depuis des modèles UML/MARTE (extension de l'UML dédié à la modélisation matérielle), jusqu'à la mise en œuvre matérielle (génération de code VHDL) par un jeu de transformations successives et de raffinements itératifs des modèles. Pour cela, nous avons défini le niveau de modélisation intermédiaire, intitulé Execution Modeling Level, qui permet de se focaliser sur le partitionnement logiciel/matériel et sur l'exploration d'architecture afin de dimensionner la plate-forme matérielle. Afin de compléter la génération de code matérielle associée à cette méthodologie, nous mettons en avant l'intérêt de coupler une méthodologie basée sur des modèles de haut niveau avec la synthèse comportementale, ce que nous illustrons au travers de la mise en œuvre d'un décodeur MIMO. Enfin, dans un contexte de radio-logicielle, nous proposons une extension de la méthodologie afin de prendre en compte le caractère flexible des systèmes embarqués. Pour cela, nous avons intégré à notre méthodologie une architecture de gestion de la reconfiguration proposée par Supélec. Une exécution de modèles de haut niveau sur une plate-forme radio réelle nous a permis de valider notre approche.

Cette thèse de Doctorat s'inscrit dans le domaine de la conception de circuits innovants pour la numérisation des signaux radio multistandard. La nouveauté dans ce travail de recherche provient de l'exploration, pour la première fois dans le domaine des systèmes radio, de l'apport de l'utilisation des techniques d'échantillonnage non uniforme (NUS, Non Uniform Sampling). L'innovation de recherche apportée concerne l'établissement de formulations analytiques pour le calcul des métriques d'évaluation des performances de la technique NUS et pour le dimensionnement d'un nouveau récepteur radio multistandard avec un convertisseur analogique numérique (ADC, Analog-to-Digital Converter) contrôlé par une horloge non uniforme. Les résultats de cette étude ont conduit à la synthèse d'un filtre anti-repliement unique pour les standards GSM/UMTS/WiFi et à la diminution la fréquence moyenne d'échantillonnage de l'ADC ce qui a permis de diminuer la consommation de puissance de l'ADC et d'éliminer le circuit du contrôle automatique de gain (AGC). L'étude analytique et la conception niveau système ont été complétées par la proposition d'une architecture numérique originale de génération d'horloge non uniforme permettant de s'affranchir des contraintes et limitations des oscillateurs non uniformes proposés dans la littérature. Ce circuit Pseudorandom Signal Sampler (PSS) a fait l'objet d'une synthèse et d'une validation préliminaire sur FPGA puis la conception d'un circuit VLSI en technologie CMOS numérique 65 nm. Les résultats d'implémentation du PSS ont permis d'obtenir, pour un facteur de quantification temporelle égal à 16, une surface active de 470 (µm)², des fréquences moyennes d'échantillonnage pouvant atteindre 200 MHz basées sur un synthétiseur de fréquence qui offre des fréquences jusqu'à 3.2 GHz et enfin une consommation de puissance de 1.45 à 290.4 µW pour des fréquences d'échantillonnage moyennes allant de 1 MHz à 200 MHz. Une validation expérimentale de l'étage de numérisation proposé a été effectuée grâce à la réalisation d'une plate-forme de test composée du circuit générateur PSS dont la sortie contrôle un ADC auquel est appliqué en entrée un signal sinusoïdal de test et d'un PC pour l'acquisition par FIFO mais aussi pour le traitement des données. Les résultats des tests expérimentaux obtenus ont permis de confirmer les résultats théoriques en termes de diminution de la consommation de l'ADC.

Dans un contexte de multiplication des normes de télécommunications aux spécifications distinctes, nos travaux de recherche définissent une architecture reconfigurable pour des terminaux radio multistandard. Nous proposons ainsi une nouvelle méthode de paramétrisation intitulée "la Technique des Opérateurs Communs" afin d'accéder à la combinaison " reconfiguration temps réel/généricité du terminal". Cette technique est une méthodologie de conception et d'exécution qui vise à développer un ensemble limité d'"Opérateurs Communs" (OC), génériques, reconfigurables par simple téléchargement de paramètres, indépendants de la cible technologique d'implémentation et qui constituent les éléments de base de notre terminal multistandard. Afin d'exécuter l'ensemble du terminal multistandard, trois familles d'OC sont proposées (LFSR, FFT/VITERBI, CORDIC). Une méthodologie de gestion des OC est également présentée et une étude de di_érents cas d'implémentations est menée, permettant d'atteindre des gains en complexité jusqu'à 40% de la complexité matérielle sur une cible FPGA dans le cas d'un terminal tri-standard (IEEE 802.11, IEEE802.16 et 3GPP LTE).

Le concept de radio logicielle (SDR) est une solution pertinente pour concevoir des équipements multi-standards. Une façon de réaliser de tels équipements est d'identifier les fonctions et opérateurs communs entre les standards. Cette approche s'appelle la paramétrisation et est divisée en deux catégories : l'approche pragmatique qui est une version pratique pour créer et développer des opérateurs communs à partir d'opérateurs existants, et l'approche théorique dont l'objectif est de réaliser une exploration graphique d'un équipement multi-standards selon différents niveaux de granularité, accompagnée d'un problème d'optimisation. C'est cette dernière approche qui a constitué le sujet de base de cette thèse. Ainsi, une fonction de coût doit être optimisée afin de sélectionner les opérateurs communs entre les différentes normes, ce qui permet de proposer une configuration optimale à partir de laquelle sont déduits les opérateurs communs. Dans notre travail, nous avons dans un premier temps modélisé théoriquement la structure graphique d'un système multi-standards par un hypergraphe orienté. En outre, nous avons fourni une expression mathématique alternative de la fonction de coût suggérée, en utilisant des définitions propres à la théorie des graphes. Ensuite, nous avons montré que le problème d'optimisation associé était un problème NP sous une certaine contrainte, ce qui a entraîné une preuve d'exclusion de certaines configurations dont les coûts ne peuvent être minimaux. Ceci a constitué la deuxième contribution de cette thèse. Enfin, nous avons proposé un nouvel algorithme permettant de résoudre le problème d'optimisation donné, et dont l'intérêt est de donner une solution optimale du problème au lieu d'une solution approchée fournie par les méthodes heuristiques classiques. Un programme associé à cet algorithme a été développé en langage C, puis appliqué à plusieurs exemples de cas génériques afin d'en étudier les performances.

La réduction d'énergie apparaît comme un besoin crucial dans les télécommunications modernes, tant au niveau des terminaux que des réseaux. Dans les réseaux modernes, un terminal peut se connecter à Internet via d'autres terminaux ou infrastructures à proximité, appelés relais. Bien que les relais offrent une solution intéressante pour limiter la puissance de transmission des terminaux, il n'est pas simple de garantir une réduction de la consommation d'énergie globale. Il devient alors nécessaire de développer des outils pour évaluer et quantifier la consommation d'énergie. Un terminal moderne dispose de plusieurs interfaces de communications, ce qui lui permet d'utiliser plusieurs standards. Sachant qu'un standard dispose de différents modes de communications, un terminal est multi-mode lorsqu'il possède cette capacité à communiquer sur les différents standards et modes disponibles. Nous nous sommes alors intéressés à l'utilisation du multi-mode dans le cadre des relais. Nous nous positionnons dans un contexte de radio logicielle, où la couche physique d'un terminal est représentée par des blocs programmables, ce qui facilite l'implémentation du multi-mode. Afin d'estimer la consommation d'énergie d'une radio logicielle, nous avons calculé la complexité algorithmique pour les couches physiques du 802.11g (ou Wi-Fi), de l'UMTS et du 802.15.4 (ou Zigbee). Dans cette thèse, nous avons développé des outils nous permettant d'évaluer l'intérêt d'un relais multi-mode dans la réduction d'énergie. Nous avons proposé un modèle d'énergie réaliste pour le multi-mode, qui prend en compte la couche d'accès au medium des protocoles considérés. Dans un but de réalisme accru, nous avons implémenté le multi-mode au sein de WSNet, un simulateur réseau précis, grâce auquel nous avons déterminé les paramètres ayant un impact sur la consommation d'énergie. Puis, nous avons proposé et validé des stratégies permettant de minimiser l'influence de ces paramètres.

L'expansion de la radio et le développement de nouveaux standards enrichissent la diversité et la quantité de données contenues sur les ondes de radiodiffusion. Il devient alors judicieux de développer un moteur de recherches qui aurait la capacité de rendre toutes ces données accessibles comme le font les moteurs de recherche sur internet à l'image de Google. Les possibilités offertes par un tel moteur s'il existe sont nombreuses. Ainsi, le projet SurfOnHertz, qui a été lancé en 2010 et s'est terminé en 2013, avait pour but de mettre au point un navigateur qui serait capable d'indexer les flux audios de toutes les stations radios. Cette indexation se traduirait, entre autres, par de la détection de mots clés dans les flux audios, la détection de publicités, la classification de genres musicaux. Le navigateur une fois mis au point deviendrait le premier moteur de recherches de genre à traiter les contenus radiodiffusés. Relever un tel challenge nécessite d'avoir un dispositif pour capter toutes les stations en cours de diffusion dans la zone géographique concernée, les démoduler et transmettre les contenus audios à un moteur d'indexation. Ainsi, les travaux de cette thèse visent à proposer des architectures numériques portées sur une plateforme SDR pour extraire, démoduler, et mettre à disposition le contenu audio de chacune des stations diffusées dans la zone géographique du récepteur. Vu le grand nombre de standards radio existants aujourd'hui, la thèse porte principalement les standards FM et DRM30. Cependant les méthodologies proposées sont extensibles à d'autres standards.C'est à base d'un FPGA que la majeure partie des travaux a été menée. Le choix de ce type de comcomposant est justifié de par les grandes possibilités qu’il offre en termes de parallélisme de traitements, de maitrise de ressources disponibles, et d’embarquabilité. Le développement des algorithmes a été fait dans un souci de minimisation de la quantité de blocs de calculs utilisés. D’ailleurs, bon nombre d’implémentations ont été réalisées sur un Stratix II, technologie aux ressources limitées par rapport aux FPGAs d’aujourd’hui disponibles sur le marché. Cela atteste la viabilité des algorithmes présentés. Les algorithmes proposés opèrent ainsi l’extraction simultanée de tous les canaux radios lorsque les stations ne peuvent occuper que des emplacements uniformément espacés comme la FM en Europe occidentale, et aussi, pour des standards dont la répartition des stations dans le spectre semble plutôt aléatoire comme le DRM30. Une autre partie des discussions porte sur le moyen de les démoduler simultanément. / The expansion of the radio and the development of new standards enrich the diversity and the amount of data carried by the broadcast radio waves. It becomes wise to develop a search engine that has the capacity to make these accessible as do the search engines on the internet like Google. Such an engine can offer many possibilities. In that vein, the SurfOnHertz project, which was launched in 2010 and ended in 2013, aimed to develop a browser that is capable of indexing audio streams of all radio stations. This indexing would result, among others, in the detection of keywords in the audio streams, the detection of commercials, the classification of musical genres. The browser once developed would become the first search engine of its kind to address the broadcast content. Taking up such a challenge requires to have a device to capture all the stations being broadcasted in the geographical area concerned, demodulate them and transmit the audio contents to the indexing engine. Thus, the work of this thesis aim to provide digital architectures carried on a SDR platform for extracting, demodulating, and making available the audio content of each broadcast stations in the geographic area of the receiver. Before the large number of radio standards which exist today, the thesis focuses FM and DRM30 standards. However the proposed methodologies are extensible to other standards. The bulk of the work is FPGA-based. The choice of this type of component is justified by the great opportunities it offers in terms of parallelism of treatments, mastery of available resources, and embeddability. The development of algorithms was done for the sake of minimizing the amount of the used calculations blocks. Moreover, many implementations have been performed on a Stratix II technology which has limited resources compared to those of the FPGAs available today on the market. This attests to the viability of the presented algorithms. The proposed algorithms thus operate simultaneous extraction of all radio channels when the stations can only occupy uniformly spaced locations like FM in Western Europe, and also for standards of which the distribution of stations in the spectrum seems rather random as the DRM30. Another part of the discussion focuses on the means of simultaneously demodulating it.

Il est devenu depuis des années évident, même pour le simple amateur de nouvelles technologies, que le nombre des systèmes utilisant une connexion sans fil ne fait qu'augmenter. Les usages liés au nomadisme ou même simplement à la disparition de câbles jugés encombrants ou inesthétiques poussent à développer encore et toujours de nouvelles interfaces radio adaptées aux contraintes amenées par lesdits usages. Dès lors, à partir du moment où l'on souhaite développer des équipements compatibles avec plusieurs de ces usages (deux exemples faciles étant les téléphones portables et les tablettes tactiles), cela sous-entend qu'il faut être capable d'intégrer dans ces mêmes dispositifs un nombre d'interfaces radio de plus en plus important. Dès lors, le fil-rouge qui sous-tend cet ouvrage est le concept général de systèmes multi-*. Ce paradigme couvre l'étendue des systèmes radios qui offrent de multiples degrés de liberté : multi-standard, multi-fréquence, multi-canal, multi-antenne, etc... Partir d'emblée du postulat qu'une architecture va dès sa conception intégrer plusieurs interfaces permet alors d'avoir une optimisation différente de l'ensemble du système.