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. / Energy reduction appears as a crucial need in modern telecommunications, be it for the terminals or the network. In modern networks, a terminal can connect to the Internet through other terminals or infrastructures in their proximity, called relays. Even though these relays appear as an interesting solution by limiting the terminals transmission power output, the reduction of energy consumption is not a simple task to ensure. Hence, it becomes necessary to develop adapted tools in order to evaluate and quantify the energy consumption. A modern terminal features several communication interfaces, which allows it to use different standards. With each standard featuring different communication modes, a multi-mode terminal has the capacity to communicate on these different modes and standard available. Hence, we have been studying how this multi-mode property can lead to energy reduction in combination with relaying. Our study is realized in the context of software defined radio, in which the physical layer is represented by programmable software blocks. Thus, software defined radio allows an eased implementation of multi-mode. In order to estimate the energy consumption of a software defined radio, we have evaluated the algorithmic complexity for the physical layers of the following standards : 802.11g (or Wi-Fi), UMTS and 802.15.4 (or Zigbee). In this thesis, we have developed the tools to evaluate the energy consumption of a multimode relay. Firstly, we have proposed a realistic energy model for multi-mode, which takes into account the media access control layer of the protocols studied. In order to increase realism, we have implemented multi-mode in WSNet, a precise network simulator, which we have used to determine the parameters impacting the energy consumption. Then, we have proposed and validated different strategies allowing us to minimize the influence of these parameters.

L'utilisation des ondes électromagnétiques, en tant que moyen de transmission d'informations entre les terminaux mobiles, a rapidement conduit à une congestion du spectre fréquentiel. Pour améliorer le flux de données entre utilisateurs, les autorités réglementent l'accès aux bandes de fréquences en imposant des normes strictes aux télécommunications mobiles. Ainsi, et afin d'accroître leurs capacités d'échange de données, les prochaines générations de terminaux mobiles doivent utiliser dynamiquement les ressources spectrales. Ces contraintes affectent la conception des émetteurs-récepteurs mobiles. Ils doivent transmettre des débits de données élevés en utilisant plusieurs porteuses ayant différentes modulations, tout en consommant le moins d'énergie possible, afin d'économiser l’autonomie de leurs batteries. L'émetteur Walsh tente de répondre à ces défis / The use of electromagnetic waves, as a medium for transmitting information between the mobile terminals, has quickly lead to a congestion of the frequency spectrum. To improve the data traffic flow between users, the authorities regulate the access to the frequency bands by imposing stringent standards to the mobile telecommunication. Thus, and in order to increase their data exchange capabilities, the next generations of mobile terminals have to dynamically use the spectral resources. These constraints affect the design of mobile transceivers. They must transmit high data rates by using multiple carriers and various modulation schemes, while consuming as less energy as possible, in order to save their battery life. The Walsh transmitter tries to answer these challenges.

Aujourd'hui, il y a une augmentation du nombre de normes étant intégré dans des appareils mobiles. Les problèmes principaux sont la durée de vie de la batterie et la taille de l'appareil. L'idée d'un Radio-Logiciel est de pousser le processus de numérisation aussi près que possible de l'antenne. Dans cette thèse, nous présentons la première mise en œuvre d'un récepteur radio-logiciel complet basé sur Sigma-Delta RF passe-bande, y compris un LNA à gain variable (VGLNA), un ADC Sigma-Delta RF sous-échantillonné, un mélangeur bas-conversion RF numérique et un filtre de décimation polyphasé multi-étage multi-taux. Le VGLNA élargit la gamme dynamique du récepteur multi-standard pour atteindre les exigences des trois normes sans fil ciblées. Aussi une architecture mixte, en utilisant à la fois Source-Coupled Logic (SCL) et des circuits CMOS, il est proposé d'optimiser la consommation des circuits RF numériques. Par ailleurs, nous proposons une architecture de filtre en peigne à plusieurs étages avec décomposition polyphase à réduire la consommation d'énergie. Le récepteur est mesuré pour trois normes différentes dans la bande de 2.4 GHz, la bande ISM. Les résultats des mesures montrent que le récepteur atteint 79 dB, 73 dB et 63 dB de plage dynamique pour les normes Bluetooth, ZigBee et WiFi respectivement. Le récepteur complet, mis en œuvre dans le procédé CMOS 130 nm, a une fréquence centrale accordable de 300 MHz et consomme 63 mW sous 1.2 V. Comparé à d'autres récepteurs, le circuit proposé consomme 30% moins d'énergie, la plage dynamique est de 21 dB supérieur, IIP3 est de 6 dB supérieur et le facteur de mérite est de 24 dB supérieur. / Nowadays there is an increase in the number of standards being integrated in mobile devices. The main issues are battery life and the size of the device. The idea of a Software Defined Radio is to push the digitization process as close as possible to the antenna. Having most of the circuit in the digital domain allows it to be reconfigurable thus requiring less area and power consumption. In this thesis, we present the first implementation of a complete SDR receiver based on RF bandpass Sigma-Delta including a Variable-Gain LNA (VGLNA), an RF subsampled Sigma-Delta ADC, an RF digital down-conversion mixer and a polyphase multi-stage multi-rate decimation filter. VGLNA enlarges the dynamic range of the multi-standard receiver to achieve the requirements of the three targeted wireless standards. Also a mixed architecture, using both Source-Coupled Logic (SCL) and CMOS circuits, is proposed to optimize the power consumption of the RF digital circuits. Moreover, we propose a multi-stage comb filter architecture with polyphase decomposition to reduce the power consumption. The receiver is measured for three different standards in the 2.4 GHz ISM-band. Measurement results show that the receiver achieves 79 dB, 73 dB and 63 dB of dynamic range for the Bluetooth, ZigBee and WiFi standards respectively. The complete receiver, implemented in 130 nm CMOS process, has a 300 MHz tunable central frequency and consumes 63 mW under 1.2 V supply. Compared to other SDR receivers, the proposed circuit consumes 30% less power, the DR is 21 dB higher, IIP3 is 6 dB higher and the overall Figure of Merit is 24 dB higher.

Les systèmes de navigation par satellites permettent les applications de positionnement en extérieur, dont la navigation routière. Dans les environnements contraints, comme l'intérieur des bâtiments où ces signaux satellitaires sont dégradés, la continuité du service de positionnement est nécessaire. Les applications adaptées aux citoyens modernes avec leurs appareils nomades posent des contraintes fortes de mobilité, de coûts et de limitations des infrastructures existantes. Les larges possibilités de déplacements dans des environnements hétérogènes accroissent les difficultés. Un état de l'art alimenté par une décennie de travaux académiques et industriels présente un ensemble de technologies qui visent disponibilité et performance. L'accent porte ensuite sur les systèmes inertiels pédestres à bas coût, avec une première contribution permettant d'abandonner la détection de pas au profit d'une mobilité facilitée, mais reste limitée par la connaissance de la distance parcourue pendant une phase de calibration. Cette approche nouvelle est confrontée à celle classique au pied, puis éprouvée pour différents capteurs et piétons au travers d'expérimentations répétées en conditions réalistes. Une seconde contribution décline une constellation radio locale pour estimer la distance avec une infrastructure allégée à deux émetteurs. Elle s’inspire d’une conception satellitaire sur radio programmable pour faciliter sa compatibilité avec l’existant et explorer ses performances. Une surveillance du rapport signal à bruit inter-canal améliore la précision du positionnement. Le couplage de ces systèmes asynchrones et distribués est évalué en intérieur sur une plateforme automatisée / The global navigation satellite systems allow outdoor positioning applications, including car navigation. In challenging environments, such as the buildings where satellite signals are mitigated, georeferenced points of interest or navigation applications require a continuity of the positioning service. The applications adapted to modern citizens and their mobile devices raise strong constraints on mobility, costs and limitations of the existing infrastructure. The wide variety of displacements in heterogeneous environments increases the challenge. A state of the art fed by a decade of academic and industrial works presents a set of technologies that target availability and performance. The emphasis follows on the low cost pedestrian inertial systems, with a first contribution allowing to give up the step detection for the benefit of an easier mobility, but remains limited to the knowledge of the distance traveled during a calibration phase. This new approach is compared with the classical foot-mounted approach, and then benchmarked with several sensors and pedestrians through repeated experiments in real conditions. A second contribution operates a local radio constellation to estimate the distance with a minimal infrastructure with two emitters. The signals and the algorithm are based on a reproduction of satellite systems to ease the compatibility but are implemented on a programmable radio to explore the performances. A monitoring of the difference of carrier to noise ratio between the radio channels improves the distance estimation. The hybridization of these distributed, asynchronous and multi-rates inertial and radio systems is evaluated indoor on a motorized platform

Le secteur de communications sécurisés et portables connait une véritable révolution avec l’apparition des plateformes dites radios logiciels (Software Defined Radios, SDRs). Les performances exceptionnelles de ces systèmes sont les résultats d’une interaction assez complexe et souvent peu évidente entre le logiciel embarqué, le circuit de traitement numérique et les blocs mixtes analogiques/RF. Cette complexité limite la testabilité du produit fini. La méthodologie de test utilisée actuellement a atteint ses limites dues au cout élevé, le long temps de test et le bas degré de généralisation. De plus, les plateformes SDRs peuvent évoluer sur le terrain et elles vont supporter des standards et des scénarios qui n’ont pas été considérés pendant le la phase de conception. Donc, une stratégie de test sur le terrain (en ligne) n’est plus une caractéristique optionnelle mais une nécessité. Dans ce contexte, le but de notre recherche est d’inventer et développer une méthodologie de test capable de garantir le bon fonctionnement d’une plateforme SDR après la production et pendant sa vie. Notre objectif final est de réduire le coût du test en profitant de la reconfigurabilité de la plateforme. Pour les radios tactiques qui doivent être mises à jour sur le terrain sans équipement spécial, les stratégies Built-In Self-Test (BIST) sont, sans doute, la seule moyenne de garantir la conformité aux spécifications. Dans cette mémoire, nous introduisons une nouvelle architecture de test RF BIST qui utilise la technique de de sous-échantillonnage nonuniform à la sortie de l’émetteur (TX) d’une SDR afin d’évaluer la conformité de la masque spectrale. Notre solution s’appuie sur une implémentation autonome, est modulable et peut être appliquée pour le test sur le terrain avec des modifications minimes. Par rapport aux autres techniques de test analogiques/RF, cet approche ne dépends pas de la architecture du TX, ni d’un modèle ad-hoc, ce qui est idéale pour le test des SDRs. / The advent of increasingly powerful Integrated Circuits (IC) has led to the emergence of the Software Defined Radio (SDR) concept, which brought the sector of secured mobile communications into a new era. The outstanding performance of these systems results from optimal trade-offs among advanced analog/Radio Frequency (RF) circuitry, high-speed reconfigurable digital hardware and sophisticated real-time software. The inherent sophistication of such platforms poses a challenging problem for product testing. Currently deployed industrial test strategies face rising obstacles due to the costlier RF test equipment, longer test time and lack of flexibility. Moreover, an SDR platform is field-upgradeable, which means it will support standards and scenarii not considered during the design phase. Therefore, an in-field test strategy is not anymore 'a nice to have' feature but a mandatory requirement. In this context, our research aims to invent and develop a new test methodology able to guarantee the correct functioning of the SDR platform post-fabrication and over its operational lifetime. The overall aim of our efforts is to reduce post-manufacture test cost of SDR transceivers by leveraging the reconfigurability of the platform.For tactical radio units that must be field-upgradeable without specialized equipment, Built-in Self-Test (BIST) schemes are arguably the only way to ensure continued compliance to specifications. In this study we introduce a novel RF BIST architecture which uses Periodically Nonuniform Sampling (PNS2) of the transmitter (TX) output to evaluate compliance to spectral mask specifications. Our solution supports a stand-alone implementation, is scalable across a wide set of complex specifications and can be easily applied for in-field testing with small added hardware. Compared to existing analog/RF test techniques, this approach is not limited to a given TX architecture and does not rely on an ad-hoc TX model, which makes it ideal for SDR testing.

Le secteur de communications sécurisés et portables connait une véritable révolution avec l’apparition des plateformes dites radios logiciels (Software Defined Radios, SDRs). Les performances exceptionnelles de ces systèmes sont les résultats d’une interaction assez complexe et souvent peu évidente entre le logiciel embarqué, le circuit de traitement numérique et les blocs mixtes analogiques/RF. Cette complexité limite la testabilité du produit fini. La méthodologie de test utilisée actuellement a atteint ses limites dues au cout élevé, le long temps de test et le bas degré de généralisation. De plus, les plateformes SDRs peuvent évoluer sur le terrain et elles vont supporter des standards et des scénarios qui n’ont pas été considérés pendant le la phase de conception. Donc, une stratégie de test sur le terrain (en ligne) n’est plus une caractéristique optionnelle mais une nécessité. Dans ce contexte, le but de notre recherche est d’inventer et développer une méthodologie de test capable de garantir le bon fonctionnement d’une plateforme SDR après la production et pendant sa vie. Notre objectif final est de réduire le coût du test en profitant de la reconfigurabilité de la plateforme. Pour les radios tactiques qui doivent être mises à jour sur le terrain sans équipement spécial, les stratégies Built-In Self-Test (BIST) sont, sans doute, la seule moyenne de garantir la conformité aux spécifications. Dans cette mémoire, nous introduisons une nouvelle architecture de test RF BIST qui utilise la technique de de sous-échantillonnage nonuniform à la sortie de l’émetteur (TX) d’une SDR afin d’évaluer la conformité de la masque spectrale. Notre solution s’appuie sur une implémentation autonome, est modulable et peut être appliquée pour le test sur le terrain avec des modifications minimes. Par rapport aux autres techniques de test analogiques/RF, cet approche ne dépends pas de la architecture du TX, ni d’un modèle ad-hoc, ce qui est idéale pour le test des SDRs. / The advent of increasingly powerful Integrated Circuits (IC) has led to the emergence of the Software Defined Radio (SDR) concept, which brought the sector of secured mobile communications into a new era. The outstanding performance of these systems results from optimal trade-offs among advanced analog/Radio Frequency (RF) circuitry, high-speed reconfigurable digital hardware and sophisticated real-time software. The inherent sophistication of such platforms poses a challenging problem for product testing. Currently deployed industrial test strategies face rising obstacles due to the costlier RF test equipment, longer test time and lack of flexibility. Moreover, an SDR platform is field-upgradeable, which means it will support standards and scenarii not considered during the design phase. Therefore, an in-field test strategy is not anymore 'a nice to have' feature but a mandatory requirement. In this context, our research aims to invent and develop a new test methodology able to guarantee the correct functioning of the SDR platform post-fabrication and over its operational lifetime. The overall aim of our efforts is to reduce post-manufacture test cost of SDR transceivers by leveraging the reconfigurability of the platform.For tactical radio units that must be field-upgradeable without specialized equipment, Built-in Self-Test (BIST) schemes are arguably the only way to ensure continued compliance to specifications. In this study we introduce a novel RF BIST architecture which uses Periodically Nonuniform Sampling (PNS2) of the transmitter (TX) output to evaluate compliance to spectral mask specifications. Our solution supports a stand-alone implementation, is scalable across a wide set of complex specifications and can be easily applied for in-field testing with small added hardware. Compared to existing analog/RF test techniques, this approach is not limited to a given TX architecture and does not rely on an ad-hoc TX model, which makes it ideal for SDR testing.

Cette thèse porte sur la mise en œuvre des architectures reconfigurables pour répondre aux besoins des systèmes de communication : des débits élevés et une grande flexibilité supportant les évolutivités des futurs systèmes. Nous nous intéressons particulièrement aux systèmes MIMO. Les architectures proposées utilisent l'opérateur CORDIC (COordinate Rotation DIgital Computing) comme opérateur commun, ainsi que les techniques de reconfiguration statique et partielle de FPGA en vue d'une optimisation et d'une adaptation dynamique des ressources matérielles aux caractéristiques de la communication. Le nombre d'opérateurs CORDIC peut donc être modifié par la reconfiguration statique pour s'adapter aux différents récepteurs MIMO et aux différents débits demandés. Les interconnexions entre les opérateurs CORDIC peuvent être modifiées par la reconfiguration partielle et dynamique de FPGA afin d'optimiser les ressources matérielles. L'impact du nombre d'étage de l'opérateur CORDIC sur le TEB et EQM du décodeur a été étudié. Trois exemples de récepteurs MIMO ont été réalisés à l'aide cette architecture reconfigurable: V-BLAST Square Root, MMSE et CMA. L'utilisation de cette architecture permet de diminuer les ressources matérielles sans dégrader les performances du décodeur MIMO en terme de TEB et EQM.

* La multiplication des standards de télécommunications fait apparaître la nécessité de disposer de terminaux multistandard et reconfigurables. Ces nouvelles fonctionnalités trouvent leurs réponses dans le domaine de la radio logicielle. De tels terminaux ne sont pas encore réalisables pour des raisons technologiques liées à la complexité nécessaire à leur réalisation (convertisseurs ultra rapides, processeurs reconfigurables, antennes et amplificateurs très large bande, ....). En se basant alors sur une véritable technologie radio logicielle, la radio intelligente va encore plus loin dans la prospective en dotant le terminal de capteurs qui lui permettront de s'adapter et de réagir vis à vis de son environnement. La radio devient alors décentralisée et flexible se détachant de la notion de standards et transmettant de façon opportuniste une communication dans une bande qui aura été détectée comme libre. Cette présentation s'inscrit dans le contexte présenté ci-dessus en se focalisant sur les conséquences de l'amplification de puissance d'un signal multistandard. En effet, l'amplication de puissance est un étage fondamental de tout système radio et certaines précautions doivent être prises avant d'amplifier un signal. En effet, les amplificateurs ont des caractéristiques non linéaires et de faibles rendements nécessitant un traitement du signal à amplifier afin de limiter d'une part les distorsions non linéaires et d'autre part la consommation des terminaux. Les signaux caractérisant les systèmes multistandard ayant des caractéristiques proches de celle d'un signal OFDM (connu pour les problèmes liés à l'amplification de puissance), ce travail apporte des réponses sur : * les niveaux de puissance d'un signal multistandard * les méthodes à développer pour en minimiser les fluctuations de puissance * les conséquences de l'accès opportuniste au spectre sur les fluctuations de puissance dans un contexte de radio intelligente

Toute forme de signal mettant en oeuvre une sommation de porteuses (orthogonales ou non) génère de fait des fluctuations temporelles, qui selon l'occurrence et l'amplitude, peuvent occasionner des distortions sévères au passage d'éléments non linéaires. Ces fluctuations sont le plus souvent désignées sous l'acronyme Peak to Average Power Ratio (PAPR). Ce PAPR peut être très élevé et il est alors nécessaire de le diminuer en proposant des méthodes appropriées. Ce document d'HDR synthétise l'ensemble de mes activités de recherche entre 1997 et 2010. Il aborde de façon très large la problématique de réduction du PAPR dans des problématiques variées (OFDM, radio logicielle, radio intelligente) et des contextes différents (projets collaboratifs et bilatéraux). J'ai été amené dans ce cadre à encadrer des étudiants en thèse ainsi que des post-doctorants.

Le développement de la radio logicielle fait suite à l’évolution rapide du domaine des télécommunications. Les besoins en performance et en dynamicité ont donné naissance à des MPSoC dédiés à la radio logicielle. La spécialisation de ces MPSoC rend cependant leur pro- grammation et leur vérification complexes. Des travaux proposent d’atténuer cette complexité par l’utilisation de paradigmes tels que le modèle de calcul flot de données. Parallèlement, le besoin de modèles flexibles et vérifiables a mené au développement de nouveaux modèles flot de données paramétriques. Dans cette thèse, j’étudie la compilation d’applications utilisant un modèle de calcul flot de données paramétrique et ciblant des plateformes de radio logicielle. Après un état de l’art du matériel et logiciel du domaine, je propose un raffinement de l’ordonnancement flot de données, et présente son application à la vérification des tailles mémoires. Ensuite, j’introduis un nouveau format de haut niveau pour définir le graphe et les acteurs flot de données, ainsi que le flot de compilation associé. J’applique ces concepts à la génération de code optimisé pour la plateforme de radio logicielle Magali. La compilation de parties du protocole LTE permet d’évaluer les performances du flot de compilation proposé. / The emergence of software-defined radio follows the rapidly evolving telecommunication domain. The requirements in both performance and dynamicity has engendered software- defined-radio-dedicated MPSoCs. Specialization of these MPSoCs make them difficult to program and verify. Dataflow models of computation have been suggested as a way to mi- tigate this complexity. Moreover, the need for flexible yet verifiable models has led to the development of new parametric dataflow models. In this thesis, I study the compilation of parametric dataflow applications targeting software-defined-radio platforms. After a hardware and software state of the art in this field, I propose a new refinement of dataflow scheduling, and outline its application to buffer size’s verification. Then, I introduce a new high-level format to define dataflow actors and graph, with the associated compilation flow. I apply these concepts to optimised code generation for the Magali software-defined-radio platform. Compilation of parts of the LTE protocol are used to evaluate the performances of the proposed compilation flow.