Les stations de base à petite échelle (picocellules et femtocellules) seront un des leviers principaux qui permettront d'atteindre l'objectif 1000X, objectif fixé par les grands acteurs du domaine des télécommunications visant à augmenter la capacité des réseaux mobiles sans fil 5G d'un facteur 1000 par rapport aux réseaux 4G. Dans ce type de réseau, l'amplificateur de puissance (PA) est responsable de la majorité de la consommation de puissance de la station de base. Pour minimiser sa consommation de puissance, le PA est polarisé proche de sont point de compression mais avec l'augmentation des largeurs de bande, ce dernier subit des effets de mémoire accrus qui viennent s'ajouter aux problèmes classiques de non-linéarités. Les systèmes de prédistorsion numérique (DPD), et analogique/RF(ARFPD) peuvent être utilisés pour améliorer le compromis linéarité / efficacité des PAs. Cependant pour les pico-cellules et femto-cellules utilisées dans le standard 5G, les prédistorseurs conventionnels ne sont adaptés pour des raisons de complexité et de consommation de puissance.Le modèle "Memory Polynomilal" (MP) est l'un des modèles de prédistorsion les plus attractifs pour modéliser les PAs, fournissant des performances intéressantes avec peu de coefficients. Cependant, la précision de ce modèle se dégrade pour les signaux large bance. Pour palier ce problème, nous proposons un nouveau modèle, le FIR-MP qui combine un filtre FIR au modèle MP classique. Pour valider et quantifier la précision du modèle proposé, nous avons effectué des simulations avec un modèle extrait par mesure de l'amplificateur sur étagère ADL5606 (GaAs 1W HBT PA). Les résultats de ces simulations présentent des améliorations du taux de fuite des canaux adjacents (ACLR) de 7,2 dB et 15,6 dB, respectivement, pour des signaux à 20 MHz et 80 MHz par rapport au modèle MP classique. Le FIR-MP a été également synthétisé en technologie CMOS FDSOI 28 nm. Les résultats de la synthèse ont donné une puissance globale de 9,18 mW and 116,2 mW, respectivement, pour les signaux de 20 MHz and 80 MHz.Basé sur le modèle proposé de FIR-MP, une nouvelle approche à signaux mixtes pour linéariser les PAs a été aussi étudiée. En fait, le filtre numérique FIR améliore la performance de correction de la mémoire sans aucune expansion de la bande passante et la linéarisation en bande de base permet d'éviter l'utilisation de composants RF dans la linéariseur. Ainsi, les contraintes en bande passante requises pour le DAC, les filtres de reconstruction et les blocs RF de l'émetteur sont relâchées comparés aux techniques conventionnelles de linéarisation numériques et RF. Nous avons ainsi étudié l'impact des diverses non-idéalités en utilisant un signal modulé à 80 MHz afin de dériver les exigences pour la mise en œuvre du circuit. Les simulations ont montré qu'une résolution de 8 bits pour les coefficients et un SNR de 60 dB sont nécessaires pour atteindre un ACLR1 supérieur à 45 dBc. Ces résultats constituent un premier signe favorable dans l'optique d'une implémentation matérielle de la solution proposée, étape indispensable pour évaluer précisément sa consommation de puissance et sa complexité pour pouvoir la comparer à l'état de l'art des linéariseurs. / Small-cell base stations (picocells and femtocells) handling high bandwidths (> 100 MHz) will play a vital role in realizing the 1000X network capacity objective of the future 5G wireless networks. Power Amplifier (PA) consumes the majority of the base station power, whose linearity comes at the cost of efficiency. With the increase in bandwidths, PA also suffers from increased memory effects. Digital predistortion (DPD) and analog RF predistortion (ARFPD) tries to solve the linearity/efficiency trade-off. In the context of 5G small-cell base stations, the use of conventional predistorters becomes prohibitively power-hungry.Memory polynomial (MP) model is one of the most attractive predistortion models, providing significant performance with very few coefficients. We propose a novel FIR memory polynomial (FIR-MP) model which significantly augments the performance of the conventional memory polynomial predistorter. Simulations with models extracted on ADL5606 which is a 1 W GaAs HBT PA show improvements in adjacent channel leakage ratio (ACLR) of 7.2 dB and 15.6 dB, respectively, for 20 MHz and 80 MHz signals, in comparison with MP predistorter. Digital implementation of the proposed FIR-MP model has been carried out in 28 nm FDSOI CMOS technology. With a fraction of the power and die area of that of the MP a huge improvement in ACLR is attained.An overall estimated power consumption of 9.18 mW and 116.2 mW, respectively, for 20 MHz and 80 MHz signals is obtained.Based on the proposed FIR-MP model a novel low-power mixed-signal approach to linearize RF power amplifiers (PAs) is presented. The digital FIR filter improves the memory correction performance without any bandwidth expansion and the MP predistorter in analog baseband provides superior linearization. MSPD avoids 5X bandwidth requirement for the DAC and reconstruction filters of the transmitter and the power-hungry RF components when compared to DPD and ARFPD, respectively.The impact of various non-idealities is simulated with ADL5606 (1 W GaAs HBT PA) MP PA model using 80 MHz modulated signal to derive the requirements for the integrated circuit implementation. A resolution of 8 bits for the coefficients and a signal path SNR of 60 dB is required to achieve ACLR1 above 45 dBc, with as little as 9 coefficients in the analog domain. Discussion on the potential circuit architectures of subsystems is provided. It results that an analog implementation is feasible. It will be worth in the future to continue the design of this architecture up to a silicon prototype to evaluate its performance and power consumption.

Lors du développement d’un nouvel avion, la phase précédant l’obtention du certificat de navigabilité est basée sur de nombreux essais au sol ou en vol. Dans le domaine spatial, le lancement est l’une des phases les plus critiques pour les systèmes et des essais au sol particulièrement rigoureux sont donc réalisés afin de vérifier que la charge utile ne sera pas endommagéeDes milliers de capteurs de pression ou de jauges de contrainte sont ainsi utilisés par les industriels du secteur pour ce type d’essais. Mais tous ces éléments sont aujourd’hui connectés par des fils, ce qui engendre des contraintes de temps, de coût et de limitation du nombre de capteurs. Leur remplacement par des réseaux de capteurs sans fil est une solution évidente qui permet également d’augmenter le nombre de points de mesure. Cependant, il n’existe aujourd’hui aucun protocole permettant de répondre aux attentes et besoins des professionnels de l’aéronautique et du spatial. Les travaux présentés dans cette thèse ont ainsi vocation à répondre aux besoins d’un canal de communication très haut débit, basse consommation, à faible puissance d’émission, fiable et autorisant un grand nombre de nœuds. Un prototype de couche physique basée sur un système OFDM ultra large bande a été réalisé, testé et validé, et permet d’atteindre un débit de plus de 200 Mbits/s. / To evaluate a system's compliance with its specified requirements, Hardware System Testing is conducted on the complete and integrated system. This phase is essential in all industry branches, especially in the very regulated and critical aerospace world. In the final phase of the development of an airplane, flight test equipment gathers and analyzes data during flight to evaluate the flight characteristics of the aircraft and validate its design, including safety aspects. One of the most critical tests is the measure of the pressure around the wings during flight. All new aircrafts are computer designed with the use of virtual wind tunnels. So very accurate measures have to be done on the aircraft to validate the model before the aircraft can be industrially produced. In the case of satellites, vibration and mechanical stress are two critical phenomena a satellite endures during launch. This is leading to the necessity for accurate ground tests using strain gauges or thermal sensors before allowing a launch. All such systems used by aircraft and satellite manufacturers today are wired systems. Sensors put around the wings or inside the satellite compartments are wired to a concentrator inside the cabin or the operator’s room. Although good performances are observed in terms of measurement accuracy, these systems have strong drawbacks. The two most important ones are the weight and the cost of both the systems and their installation. An additional drawback concerning its use on aircrafts is due to the installation of a system that increases the weight of the aircraft and immobilizes it during many weeks due to the routing of every cable inside the wings. The cost and the complexity of such systems don’t allow a great number of measurement points. The replacement of conventional measurement networks by wireless sensor networks is not an obvious solution. Despite the great interest in wireless sensor networks in the recent years, the technological barriers are still very numerous and there is currently no protocol to meet the expectations and needs of aviation professionals. The work presented in this thesis aims to meet the needs of a high-speed, low power consumption, low emission and reliable communication layer. Measurements have been performed in real conditions using commercial devices based on the protocol MB-OFDM/Wimedia, the most common standard that approach the need expressed, and have served to define the basis of the study and have helped to select best development tracks. Measurements have demonstrated also the specificity of the propagation channel. In order to reduce the time between the choice of algorithms and their testing in real conditions, it became necessary to use a design flow called Specification - Exploration – Improvement based on automatic synthesis tools. This development cycle has identified specific material needs for the design of the demonstrator.The physical layer is based on an OFDM system and UWB to achieve a data rate of over 150 Mb/s. A fully functional demonstrator, implemented on FPGA and composed of four communicating nodes was presented and has been used to validate the physical layer. Finally first steps to develop a digital ASIC are presented to achieve the goal of low power consumption

Ces travaux portent sur la question de l’autonomie énergétiquedes capteurs sans fil dans un contexte aéronautique, à laquelle la récupérationet le stockage d’énergie ambiante sont susceptibles d’apporter uneréponse. Nous étudions dans un premier temps la génération thermoélectrique,destinée à être appliquée au suivi du vieillissement structurelprès de la zone moteur, et débouchant sur la réalisation d’un démonstrateur.Nous proposons ensuite une architecture de stockage capacitif qui,en s’adaptant à son état de charge, vise à améliorer la performance de cettesolution de stockage en termes de temps de démarrage, de taux d’utilisationd’énergie et sous certaines conditions, de transfert d’énergie. Finalement,nous rapportons les résultats d’une étude prospective sur la récupérationd’énergie du vent relatif grâce au phénomène aéroacoustique. Nousmontrons que cette méthode présente un potentiel énergétique intéressant,puis nous présentons la conception et la réalisation d’un circuit optimiséde gestion de l’énergie, permettant d’alimenter grâce à cette technique uncapteur sans fil de température / This work adresses the issue of energy autonomy within wirelesssensor networks embedded in aircrafts, which may be solved throughambient energy harvesting and storage. In a first study, we develop a demonstratorbased on thermal gradients energy harvesting, which is designedto supply power to a structural health monitoring system implementednear the engine zone. Thereafter, we introduce a capacitive storagearchitecture which self-adapts to its own state of charge, aiming at improvingits performance in terms of startup time, the energy utilization ratioand under some conditions, the energy transfer. Finally, we report the resultsof a prospective study on aeroacoustic energy harvesting appliedto the relative wind. It is shown that this method exhibits an interestingpotential in terms of generated power, then we introduce the design andthe realization of an optimized energy management circuit, allowing ourtechnique to supply power to a wireless temperature sensor

L'électronique a connu une évolution incontestable ces dernières années. Les progrès réalisés, notamment dans l'électronique numérique et l'intégration des circuits, ont abouti à des systèmes plus performants, miniatures et à faible consommation énergétique. Les évolutions technologiques, alliant les avancées de l'informatique et des technologies numériques et leur intégration de plus en plus poussée au sein d'objets multiples, ont permis le développement d'un nouveau paradigme de systèmes qualifiés de systèmes cyber-physiques. Ces systèmes sont massivement déployés de nos jours grâce à l'expansion des applications liées à l'Internet Des Objets (IDO). Les systèmes cyber-physiques s'appuient, entre autre, sur le déploiement massif de capteurs communicants sans fil autonomes, ceux-ci présentent plusieurs avantages : * Flexibilité dans le choix de l'emplacement. Ils permettent l'accès à des zones dangereuses ou difficiles d'accès. * Affranchissement des câbles qui présentent un poids, un encombrement et un coût supplémentaire. * Elimination des problèmes relatifs aux câbles (usure, étanchéité...) * Facilité de déploiement de réseaux de capteurs Cependant, ces capteurs sans fils nécessitent une autonomie énergétique afin de fonctionner. Les techniques conventionnelles telles que les batteries ou les piles, n'assurent le fonctionnement des capteurs que pour une durée limitée et nécessitent un changement périodique. Ceci présente un obstacle dans le cas où les capteurs sans fils sont placés dans un endroit où l'accès est impossible. Il est donc nécessaire de trouver un autre moyen d'approvisionner l'énergie de façon permanente à ces réseaux de capteurs sans fil. L'intégration et la miniaturisation des systèmes électroniques ont permis la réalisation de systèmes à faible consommation, ce qui a fait apparaître d'autres techniques en termes d'apports énergétiques. Parmi ces possibilités se trouvent la récupération d'énergie électromagnétique et le transfert d'énergie sans fil (TESF). En effet, l'énergie électromagnétique est de nos jours, omniprésente sur notre planète, l'utiliser donc comme source d'énergie pour les systèmes électroniques semble être une idée plausible et réalisable. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre, elle a pour objectif la conception et la fabrication de systèmes de récupération d'énergie électromagnétique pour l'alimentation de réseaux de capteurs sans fil. Le circuit de récupération d'énergie électromagnétique est appelé " Rectenna ", ce mot est l'association de deux entités qui sont " antenne " et " rectifier " qui désigne en anglais le " redresseur ". L'antenne permet de récupérer l'énergie électromagnétique ambiante et le redresseur la convertit en un signal continu (DC) qui servira par la suite à alimenter les capteurs sans fil. Dans ce manuscrit, plusieurs rectennas seront présentées, pour des fréquences allant des bandes GSM 868MHz, 915MHz, passant par l'UMTS à 2GHZ et WIFI à 2,45GHz, et allant jusqu'aux bandes Ku et Ka. / The electronic domain has known a significant expansion the last decades, all the advancements made has led to the development of miniature and efficient electronic devices used in many applications such as cyber physical systems. These systems use low-power wireless sensors for: detection, monitoring and so on. The use of wireless sensors has many advantages: * The flexibility of their location, they allow the access to hazardous areas. * The realization of lighter system, less expensive and less cumbersome. * The elimination of all the problems associated to the cables (erosion, impermeability...) * The deployment of sensor arrays. Therefore, these wireless sensors need to be supplied somehow with energy to be able to function properly. The classic ways of supplying energy such as batteries have some drawbacks, they are limited in energy and must be replaced periodically, and this is not conceivable for applications where the wireless sensor is placed in hazardous places or in places where the access is impossible. So, it is necessary to find another way to permanently provide energy to these wireless sensors. The integration and miniaturization of the electronic devices has led to low power consumption systems, which opens a way to another techniques in terms of providing energy. Amongst the possibilities, we can find the Wireless Power Transfer (WPT) and Energy Harvesting (EH). In fact, the electromagnetic energy is nowadays highly available in our planet thanks to all the applications that use wireless systems. We can take advantage of this massive available quantity of energy and use it to power-up the low power wireless sensors. This thesis is incorporated within the framework of WPT and EH. Its objective is the conception and realization of electromagnetic energy harvesters called "Rectenna" in order to supply energy to low power wireless sensors. The term "rectenna" is the combination of two words: Antenna and Rectifier. The Antenna is the module that captures the electromagnetic ambient energy and converts it to a RF signal, the rectifier is the RF circuit that converts this RF signal into a continuous (DC) signal that is used to supply the wireless sensors. In this manuscript, several rectennas will be presented, for different frequencies going from the GSM frequencies (868 MHz, 915 MHz) to the Ku/Ka bands.

Les forts besoins en matière d'économie de carburant, de réduction des coûts de maintenance et de diminution des accidents routiers, ont conduit à la conception et à la commercialisation d'une gamme de systèmes embarqués sans fil, installés dans les véhicules roulants terrestres. Or, il faudra surmonter plusieurs défis techniques pour que les divers bénéfices de ses systèmes se réalisent. Ce mémoire de thèse s'est déroulé au sein de l'entreprise Continental Automotive Systems et les laboratoires LAAS et LAPLACE de Centre National de la Recherche Scientifique. Les travaux ont porté sur le canal de propagation radiofréquence dans l'environnement du véhicule pour le système de surveillance de pression des pneumatiques (TPMS) et le système d'accès sans fil (PASE). Ils se sont répartis entre les expérimentations et des études théoriques visant à présenter des modèles efficaces de l'environnement de propagation, d'évaluer la qualité de communication et de proposer des solutions adaptées aux systèmes embarqués sans fil étudiés. Les résultats de simulation et de mesure montrent que nous pouvons bien cerner les mécanismes de propagation mis en jeu dans l'environnement véhicule, et d'adapter en conséquence les solutions protocolaires et antennaires. / The high potential of accident prevention by using an intelligent tire system can be clearly seen through the different accident analysis. It has been shown that adverse road conditions, tire defects or their combination play an important role in road accidents. Moreover the decrease in the number of fatalities, provided that the entire car fleet is equipped with intelligent tire systems, could be significantly improved by preventing at least 10 % of accidents. This would mean that over 4 000 life’s could be saved every year in European countries. The first part of this thesis presents is the TPM (Tire Pressure Monitoring) System, which corresponds to a wireless radiofrequency transmission between a transmitter module (TX) in each tire of the car and a fixed central receiver (RX). The transmitter, next called "Wheel Unit", is composed with different electronic sensors (temperature, pressure, acceleration...) for the detection of the tire inflation status. The data are collected by the receiver where the different wheel unit frames from each tire is decoded by the control unit. Then a graphical display informs the driver with the required pressure and temperature variations. The second investigated system is the wireless car access, which operate the bilateral link LF /RF, by sending the different commands at 315 MHz or 434 MHz. The signals are related to an electronic code featuring the key to control the vehicle (lock/unlock of doors and the trunk release, start of the engine,…). The automotive PAssive Start and Entry system (PASE) module generates a low frequency wake-up message (at 125 kHz) from the car towards the badge, and a RF challenge signal communicates back from the badge to the car at triggering event. The free radio license frequency of 434MHz is chosen for this study. The RF radio-link budget is a keystone of the overall system reliability: the carrier propagation between the wheel unit and the receiver must be effective whatever the ground composition, whatever the angular position or speed of the wheel unit, for each of the four wheel units. Moreover, the system must be insensitive to RF interferences. The transmission between the wheel units and the receiver is tricky because of the many parameters involved. These environment and operating considerations increase the radio-link budget complexity, and contribute to degrade the global transmission quality of the TPM system. The major parameters that impact the TPMS efficiency: System parameters: the system design affects the transmission performances. The frame structure, the modulation schemes and code lines contribute directly or indirectly to increase the BEP (Bit Error Probability), thus the choice of an efficient system strategy is indispensable for the TPMS. Radiofrequency channel: The car body affects considerably the wave propagation, because the data link is not a line-of-sight, and the channel varies rapidly according to the wheel unit positions and the wave trajectories. So, due to the complex and variable environment, the main characteristics of emitted waves also change in phase and power and it produces both destructive and constructive behaviors. Receiver: generally it can be posed near the metallic structure of the car, so the antenna pattern can be corrupted. RF Source effects. To ensure the good reception of the data transmitted from the sensors, a good knowledge of our wireless radio-link channel is mandatory. Thus, the transmitter part of the system must be properly described: the RF source characterization for TPMS –Tire Pressure Monitoring System- is discussed in this thesis. We proposed in the first part an original approach to characterize the source, from the transmitter antenna to the whole wheel system: thus the influence of each element (lumped antenna + rim + tire) is quantified once embedded in the antenna. Several experimental studies are performed in far and near field conditions for a complete characterization.

Les nouvelles technologies de l’information et de la communication (TIC) permettent de mener davantage d’activités en dehors des lieux de travail et de résidence. De plus en plus de commerces offrent un accès sans-fil gratuit à l’Internet (WiFi) en même temps que le nombre d’appareils mobiles capables de se brancher à l’Internet est en pleine croissance. L’individu qui recherche une connexion Internet gratuite dans la ville pour pratiquer des activités à distance a vraisemblablement l’embarras du choix. Tandis que de nombreuses études s’intéressent à l’impact des TIC sur des lieux comme des milieux sociaux, rares sont celles qui s’interrogent sur les qualités physiques de ces milieux. Les architectes et les urbanistes abordent rarement le WiFi comme un élément de design : la présence de ce dernier se limitent souvent à quelque chose considéré anecdotique ou invasif. Ce projet de recherche, mené à Québec dans le cadre d’un mémoire de Maîtrise en sciences de l’architecture au sein du Groupe interdisciplinaire de recherche sur les banlieues (GIRBa), se penche sur les divers profils d’utilisation et d’appropriation du WiFi afin de réfléchir à celui-ci comme un élément important de design pour les lieux publics et semi-publics au 21e siècle. Pour ce faire, ce projet identifie les lieux et les secteurs les plus populaires pour l’utilisation du WiFi par l’analyse de la base de données de l’organisme à but non lucratif, ZAP Québec, qui gère le service WiFi des lieux publics et semi-publics à Québec depuis 2006. Ensuite, une enquête Internet mené auprès d’un échantillon de 63 utilisateurs WiFi à Québec suggère une diversité de profils d’usage de l’Internet sans-fil. En dernier lieu, une analyse spatiale inspiré du Pattern Language développé par Christopher Alexander dans les années 1970 a permit d’identifier des configurations spatiales récurrentes dans les lieux publics et semi-publics les plus fréquentés. Ce mémoire révèle que certaines tendances observées tant chez les usagers que les lieux les plus fréquentés peuvent servir à guider les stratégies d’implantation du WiFi et le design des lieux où son utilisation est prévue. Bien que ce mémoire demeure exploratoire et soulève beaucoup de questions, il porte un nouveau regard sur un phénomène qui mérite d’être l’objet de futures études. Des directions possibles pour ces dernières sont discutées en conclusion. / New information and communication technologies (NICT) are transforming the way people conduct activities in spaces outside the home and office. With the spread of wireless Internet (WiFi) into public and semi-public places and the increasing number of mobile devices capable of accessing the Internet, the city is now full of places where activities can be conducted remotely. Studies looking at the impact by NICT frequently address its impact on the social ambiance of places, but rarely consider the physical nature of its use. Seldom is WiFi approached by architects and urban planners as a design element—or it is reduced to something seen as ancillary or even invasive. This study, which was carried out as part of a Masters of science in architecture thesis conducted in Quebec City at the Interdisciplinary Research Group on the Suburbs (GIRBa) at Université Laval, addresses this latter judgment critically by looking at WiFi use and users as sources of inspiration for designing urban places of gathering in the 21st century. Through the analysis of data from the central server of a local Quebec City non-profit WiFi provider, ZAP Québec, an Internet survey conducted among sixty-three WiFi users and a spatial analysis using Christopher Alexander’s Pattern Language (1977), this Master’s thesis shows that the geographic variations of WiFi use can aid in orienting the development of WiFi networks and the places where WiFi is to be used. A typology of users also sheds light on a certain set of individuals who use WiFi and their varying practices. While the exploratory nature of this study may raise more questions than it answers, its findings aid in proposing a variety of approaches to WiFi integration within the urban environment as well as several directions for future research.

Ce mémoire est consacré à la description détaillée d’une couche physique implémentée sur une plateforme FPGA. La couche physique intègre plusieurs des technologies présentes dans les standards de télécommunication de dernière génération. Tout d’abord, un survol des technologies OFDM et MIMO est effectué puisque que ces deux technologies sont d’une grande importance dans les télécommunications d’aujourd’hui. Par la suite, une description du matériel utilisé pour tester le bon fonctionnement de la couche physique est effectuée. Une bonne partie du mémoire sera consacrée à la description de la couche physique déployée. Un schéma-bloc détaillé de cette dernière est présenté. La couche physique est divisée principalement en deux parties : le transmetteur et le récepteur. Au niveau du transmetteur, la structure du paquet généré sera présentée ainsi que les différents symboles d’acquisition et d’estimation de canal. Du côté du récepteur, nous nous attarderons aux algorithmes mis en œuvres afin d’effectuer le décodage d’un paquet. L’algorithme de contrôle de gain automatique, l’estimateur de déviation fréquentiel de la porteuse, le détecteur de début de paquet et l’estimateur de canal seront présentés. Enfin, des courbes démontrant le taux d’erreurs de bit dans du bruit blanc gaussien additif seront présentées et comparées avec les courbes théoriques. Une discussion sur les résultats suivra ainsi qu’une liste de suggestions afin de porter plus loin la couche physique. / This report is focused on a detailed description of a physical layer implemented on an FPGA platform. The physical layer integrates many of the up to date technologies used in the latest generation telecommunication standards. First of all, an overview of the OFDM and MIMO technologies is presented since both technologies are very important in today’s telecommunications. Thereafter, there is a description of the hardware used to test the proper functioning of the physical layer. The major part of this report is aimed toward the description of the physical layer itself. A detailed block diagram of the latter is presented. The physical layer is divided in two main sections: the transmitter and the receiver. Regarding the transmitter, the structure of the generated packet is presented together with the acquisition and channel estimation symbols. On the receiver side, we will focus on the implemented algorithms to decode a packet. The automatic gain control algorithm, the carrier frequency offset estimator, the block boundary detector and the channel estimator are detailed. Finally, binary error rate curves in an additive white Gaussian noise channel will be presented and compared to theoretical curves. A discussion about the obtained results will follow as well as a list of the future improvements which could be made to take the physical layer further.

Les systèmes de communication sans fil de nouvelle génération nécessitent des techniques avancées afin de supporter un nombre élevé d'usagers et d'augmenter le débit sans avoir besoin de largeur de bande additionnelle. Une de ces techniques est l'utilisation des systèmes MIMO (Multi-Input, Multi-Output). De tels systèmes augmentent le débit, la portée et la robustesse aux évanouissements du canal sans consommer de largeur de bande additionnelle. Dans cette thèse, nous modélisons la norme 802.11 pour les réseaux ad-hoc à accès MIMO. Nous dégageons des scénarios de simulation permettant de mettre en lumière certaines situations problématiques des réseaux sans-fil. Ce mémoire introduit dans un premier temps le canal sans fil et les spécifications de la norme 802.11. Dans un deuxième temps, nous introduisons le simulateur réseau NS-2 ainsi que certaines simulations des réseaux ad-hoc utilisant la norme 802.11. Et pour finir on a testé notre extension MIMO par des scénarios de simulation de réseaux étendus.

La biophotométrie sur fibre est une technique puissante utilisée en neuroscience pour surveiller les fluctuations dynamiques des niveaux de calcium en corrélation avec des événements neuronaux, tels que la génération de potentiel d’action, l’exocytose de neurotransmetteurs, des modifications de la plasticité synaptique et la transcription de gènes dans les structures cérébrales profondes d’animaux de laboratoire vivants. Cette approche permet également d’étudier la corrélation entre les processus neuronaux et le comportement de modèles animaux vivants afin de percer les mystéres du cerveaux et de nombreuses maladies comme la maladie d’Alzheimer. Les appareils de biophotométrie sur fibre de table classiques utilisent une fibre optique attachée pour émettre de la lumière et récupérer les signaux de fluorescence, ce qui présente un risque de rupture, de contrainte et de blessure potentielle. Ces systèmes sont également encombrants et nécessitent des tensions de fonctionnement élevées. Par conséquent, leur utilité dans les études sur des animaux vivants est limitée. Le but de ce projet est de mettre en place une interface neuronale optique sans fil pour effectuer la détection de fluorescence avec des modèles animaux vivants sans restreindre leurs mouvements ni induire de stress dû au câble. Nous avons conçu un système de biophotométrie par fibre optique sans fil légère et compacte pour une utilisation chronique basée sur un capteur de fluorescence CMOS (Complementary Metal-Oxide- Semiconductor) intégré offrant une sensibilité élevée, une plage dynamique élevée et une consommation d’énergie très faible. Le système de biophotométrie à fibre présenté incorpore tous les aspects d’un système de biophotométrie à fibres englobé dans un sans fil. Les principales contributions de ce travail ont été rapportées dans neuf conférences et trois articles de journaux publiés ou soumis, ainsi que dans une divulgation d’invention. Les mesures de biophotométrie en fluorescence nécessitent un appareil de laboratoire à large plage dynamique (DR) et à haute sensibilité. Cependant, il est souvent très difficile de mesurer avec précision les petites variations de fluorescence en présence de bruit et d’autofluorescence de tissu de fond élevée. Une contribution importante de ce travail concerne le développement de biocapteurs optoélectroniques CMOS intégrés sur mesure et de circuits de traitement permettant de détecter les signaux de fluorescence très faibles et de les convertir en codes numériques de haute précision, afin de construire des dispositifs de détection du cerveau montables sur la tête de souris de laboratoire, très compacts et légers. Nous avons conçu une première puce de biocapteur CMOS haute précision offrant une plage de tension de fonctionnement basse, une basse consommation, une haute sensibilité et une gamme dynamique élevée basée sur une architecture basse tension intégrant un circuit frontal à détection différentielle avec heure [sigma delta] modulation avec un amplificateur de transconductance capacitif différentiel (ATCCD). / Ce nouveau système offre une mise en oeuvre simplifiée ainsi qu’une architecture à faible consommation utilisant une stratégie de partage du matériel. La détection différentielle et les photodiodes factices avec le ATCCD permettent d’atteindre une sensibilité élevée en supprimant les dark current de la photodiode, en utilisant un petit condensateur d’intégration dans le ATCCD. Les résultats de mesure sont présentés pour le capteur de biophotométrie proposé, fabriqué avec une technologie CMOS de 0.18 mm, consommant 41 mWd’une tension d’alimentation de 1.8 V, tout en atteignant une gamme dynamique maximale de 86 dB, une bande passante de 50 Hz, une sensibilité de 24 mV/nW et un courant minimum détectable de 2.6-pArms à un taux d’échantillonnage de 20 kS/s. Un autre défi critique pour un système de photométrie à fibre pour petits animaux concerne la gestion de la consommation de courant importante nécessaire à la source de lumière d’excitation pour fournir une puissance de sortie de lumière suffisante au tissu afin de déclencher la fluorescence. Par conséquent, des impulsions lumineuses d’excitation courtes doivent être utilisées par rapport à la période d’échantillonnage du signal de fluorescence (>10 ms), afin de réduire la consommation de courant moyenne et d’allonger la durée de vie de la batterie. Pour répondre à cette exigence critique, nous avons amélioré notre conception avec un deuxième prototype de biocapteur utilisant de nouvelles techniques de circuit pour offrir une sensibilité élevée et une plage dynamique élevée avec un temps de conversion réduit permettant l’utilisation d’impulsions lumineuses à cycle de fonctionnement réduit et de consommation faible. Le biocapteur est basé sur un convertisseur analogique-numérique (CAN) à comptage étendu, et un convertisseur analogique-numérique de premier ordre SD, dont le fonctionnement est synchronisé avec les impulsions lumineuses d’excitation. Le biocapteur présente une gamme dynamique de 104 dB à un temps de conversion de 3 % de la période d’échantillonnage du signal de fluorescence et réduit la consommation électrique de la DEL de 97 %. Un dernier aspect critique concerne la flexibilité du biocapteur pour effectuer des tests fiables in vivo. Réaliser un test pratique in vivo nécessite d’ajuster la sensibilité du biocapteur et la puissance de sortie de la DEL du biocapteur afin de s’adapter à différents niveaux de fluorescence et différents environnements physiologiques à l’intérieur des tissus de l’animal vivant. Ainsi, nous avons conçu un troisième biocapteur incorporant une sensibilité et un temps de conversion programmables afin d’optimiser la consommation d’énergie de DEL et de permettre un très faible facteur de fonctionnement excitation/détection. Cette toute nouvelle architecture de capteurs utilise un CAN à temps discret [sigma delta] avec une technique de double échantillonnage numérique corrélée permettant la détection de photocourants inférieurs à 1 pArms. Cette conception a été utilisée comme module de base pour développer un prototype de headstage sans fil. Nous avons mis en place et testé in vitro avec succès ce système de biophotométrie à fibre, qui comprend la puce de biocapteur proposée, avec une tranche de cerveau de souris exprimant GCaMP6, un indicateur de calcium génétiquement codé. / Fiber biophotometry is a powerful technique in neuroscience to monitor the dynamic fluctuations in calcium levels correlated with neural events, such as action potential generation, exocytosis of neurotransmitters, changes in synaptic plasticity, and gene transcription in deep brain structures in live laboratory animals. This approach allows studying the correlation between neuronal processes and the behavior of live animal models in order to learn more about the brain function and its associated diseases. Conventional bench-top fiber biophotometry apparatus use a tethered optical fiber to deliver light and to retrieve fluorescence signals, which involves risk of breakage, stress, and potential injury. These systems are also bulky and require high operating voltages. Therefore, their usefulness to conduct studies with live animals is limited. The goal of this project is to implement a wireless optical neural interface to perform fluorescence sensing with live animal models without restraining their movement or inducing stress due to cable tethering. We designed a lightweight and compact size wireless fiber biophotometry headstage for chronic utilization based on a custom integrated Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) fluorescence sensor providing high-sensitivity, high-dynamic range, and very low-power consumption. The presented head-mountable fiber biophotometry system incorporates all aspects of a conventional tethered fiber-based biophotometry system encompassed into a wireless headstage. The main contributions of this work were reported in nine conferences and three journal papers published or submitted, and in one invention disclosure. Fluorescence biophotometry measurements require wide dynamic range (DR) and high-sensitivity laboratory apparatus. But, it is often very challenging to accurately resolve the small fluorescence variations in presence of noise and high background tissue autofluorescence. An important contribution of this work concerns the development of custom integrated CMOS optoelectronic biosensors and processing circuits to detect very weak fluorescence signals, and to convert them into high-precision digital codes, for building very compact and lightweight head-mountable brain sensing devices for laboratory mice. We first designed a high-precision CMOS biosensor chip providing low operating voltage, low-power, high-sensitivity, and high-dynamic range based on a low-voltage architecture that embeds a differential sensing front-end circuitry with a continuous-time [sigma delta] modulation with a differential capacitive transconductance amplifier (DCTIA). This novel system offers a simplified implementation as well as a low-power architecture leveraging a hardware sharing strategy. Differential sensing and dummy photodiodes with the DCTIA enables to achieve high-sensitivity by suppressing the photodiode dark currents and using a small integration capacitor in the DCTIA. Measurement results are presented for the proposed biophotometry sensor fabricated in a 0.18-mm CMOS technology, consuming 41 mW from a 1.8-V supply voltage, while achieving a peak dynamic range of 86 dB over a 50-Hz input bandwidth, a sensitivity of 24 mV/nW and a minimum detectable current of 2.46-pArms at a 20-kS/s sampling rate. / Another critical challenge for a head-mountable fiber photometry system is when handling the large current consumption needed for the excitation light source to provide sufficient light output power to the tissue in order to trigger fluorescence. Hence, short excitation light pulses must be used, relative to the sampling period of the fluorescence signal (>10 ms), in order to decrease the average current consumption, and extend the battery lifetime. To address this critical requirement, we improved our design with a second biosensor prototype using novel circuit techniques to provide high-sensitivity and a high-dynamic range with a short conversion time to allow the utilization of low-duty cycle light pulses and low-power consumption. The biosensor is based on an extended counting ADC, first-order [sigma delta] and single slope ADC, whose operation is synchronized with the excitation light pulses. The biosensor presents a high-dynamic range of 104 dB at a conversion time of 3 % of the fluorescence signal sampling period and decreases the power consumption of the excitation light source by 97%. A last critical aspect concerns the flexibility of the biosensor to perform reliable tests in-vivo. Performing a practical test in-vivo requires to adjust the biosensor sensitivity and the excitation light source output power of the biosensor to adapt to different fluorescence levels and different physiological environments inside the live animal tissues. Thus, we designed a third biosensor incorporating a programmable sensitivity and a programmable conversion time to optimize the excitation light power consumption, and to enable very low excitation/sensing duty cycle. This completely new sensor architecture utilizes a discrete time SD ADC with digital correlated double sampling technique enabling detection of low photocurrents as low as 1 pArms. This design was used as a core module to develop a wireless head-mountable optical headstage prototype. We have implemented and sucessfully tested this fiber photometry headstage, which includes the proposed biosensor chip, in-vitro with a mouse brain slice expressing GCaMP6, a genetically encoded calcium indicator.

Le contexte de cette thèse est celui des communications optiques sans fil pour des applications en environnements indoor. Pour discuter des performances d'une liaison optique sans fil, il est nécessaire d'établir une étude caractéristique du comportement du canal de propagation. Cette étude passe par l'étape de la mesure ou de l'estimation par la simulation de la réponse impulsionnelle. Après avoir décrit la composition d'une liaison et passé en revue les méthodes de simulation existantes, nous présentons nos algorithmes de simulation dans des environnements réalistes, en nous intéressant à leurs performances en termes de précision et de temps de calcul. Ces méthodes sont basées sur la résolution des équations de transport de la lumière par du lancer de rayons associées aux méthodes d'intégration stochastique de Monte Carlo. La version classique de ces méthodes est à la base de trois algorithmes de simulations proposés. En utilisant une optimisation par des chaînes de Markov, nous présentons ensuite deux autres algorithmes. Un bilan des performances de ces algorithmes est établi dans des scénarios mono et multi-antennes. Finalement, nous appliquons nos algorithmes pour caractériser l'impact de l'environnement de simulation sur les performances d'une liaison de communication par lumière visible, à savoir les modèles d'émetteurs, les matériaux des surfaces, l'obstruction du corps de l'utilisateur et sa mobilité, et la géométrie de la scène de simulation. / The context of this PhD thesis falls within the scope of optical wireless communications for applications in indoor environments. To discuss the performance of an optical wireless link, it is necessary to establish a characteristic study of the behavior of the optical wave propagation channel. This study can be realized by measurement or by the simulation of the channel impulse response. After describing the composition of an optical wireless link and reviewing existing simulation methods, we present our new simulation algorithms channel in realistic environments by focusing on their performances in terms of accuracy and their complexity in terms of computation time. These methods are based on solving the light transport equations by ray-tracing techniques associated with stochastic Monte Carlo integration methods. The classical version of these methods is the basis of three proposed simulation algorithms. By applying an optimization using Markov Chain, we present two new algorithms. A performance assessment of our simulation algorithms is established in mono and multi-antenna scenarios of our simulation algorithms. Finally, we present the application of these algorithms for characterizing the impact of the simulation environment on the performances of a visible light communication link. We particularly focus on the transmitter models, surface coating materials, obstruction of the user's body and its mobility, and the geometry of the simulation scene.