Ce mémoire présente une étude d'un chargeur de batterie solaire avec un suiveur du point de puissance maximale (MPPT) qui a été introduit en vue d'obtenir un rendement énergétique maximal. L'interface entre le panneau solaire et la batterie a été réalisée en utilisant un convertisseur DC-DC SEPIC commandé par un microcontrôleur « PIC 18F1220 ». Grâce à la méthode Perturb & Observ (P&O) l'algorithme MPPT mesure périodiquement la tension et le courant du panneau solaire pour calculer la puissance délivrée par ce dernier. Suivant le résultat obtenu, l'algorithme ajustera le rapport cyclique du convertisseur pour amener le système vers le point de fonctionnement à puissance maximale.

La reconnaissance d’activités humaines à partir de données vidéo est utilisée pour la surveillance ainsi que pour des applications d’interaction homme-machine. Le principal objectif est de classer les vidéos dans l’une des k classes d’actions à partir de vidéos entièrement observées. Cependant, de tout temps, les systèmes intelligents sont améliorés afin de prendre des décisions basées sur des incertitudes et ou des informations incomplètes. Ce besoin nous motive à introduire le problème de l’analyse de l’incertitude associée aux activités humaines et de pouvoir passer à un nouveau niveau de généralité lié aux problèmes d’analyse d’actions. Nous allons également présenter le problème de reconnaissance d’activités par intervalle de temps, qui vise à explorer l’activité humaine dans un intervalle de temps court. Il a été démontré que l’analyse par intervalle de temps est utile pour la caractérisation des mouvements et en général pour l’analyse de contenus vidéo. Ces études nous encouragent à utiliser ces intervalles de temps afin d’analyser l’incertitude associée aux activités humaines. Nous allons détailler à quel degré de certitude chaque activité se produit au cours de la vidéo. Dans cette thèse, l’analyse par intervalle de temps d’activités humaines avec incertitudes sera structurée en 3 parties. i) Nous présentons une nouvelle famille de descripteurs spatiotemporels optimisés pour la prédiction précoce avec annotations d’intervalle de temps. Notre représentation prédictive du point d’intérêt spatiotemporel (Predict-STIP) est basée sur l’idée de la contingence entre intervalles de temps. ii) Nous exploitons des techniques de pointe pour extraire des points d’intérêts afin de représenter ces intervalles de temps. iii) Nous utilisons des relations (uniformes et par paires) basées sur les réseaux neuronaux convolutionnels entre les différentes parties du corps de l’individu dans chaque intervalle de temps. Les relations uniformes enregistrent l’apparence locale de la partie du corps tandis que les relations par paires captent les relations contextuelles locales entre les parties du corps. Nous extrayons les spécificités de chaque image dans l’intervalle de temps et examinons différentes façons de les agréger temporellement afin de générer un descripteur pour tout l’intervalle de temps. En outre, nous créons une nouvelle base de données qui est annotée à de multiples intervalles de temps courts, permettant la modélisation de l’incertitude inhérente à la reconnaissance d’activités par intervalle de temps. Les résultats expérimentaux montrent l’efficience de notre stratégie dans l’analyse des mouvements humains avec incertitude. / Recognizing human activities from video data is routinely leveraged for surveillance and human-computer interaction applications. The main focus has been classifying videos into one of k action classes from fully observed videos. However, intelligent systems must to make decisions under uncertainty, and based on incomplete information. This need motivates us to introduce the problem of analysing the uncertainty associated with human activities and move to a new level of generality in the action analysis problem. We also present the problem of time-slice activity recognition which aims to explore human activity at a small temporal granularity. Time-slice recognition is able to infer human behaviours from a short temporal window. It has been shown that temporal slice analysis is helpful for motion characterization and for video content representation in general. These studies motivate us to consider timeslices for analysing the uncertainty associated with human activities. We report to what degree of certainty each activity is occurring throughout the video from definitely not occurring to definitely occurring. In this research, we propose three frameworks for time-slice analysis of dyadic human activity under uncertainty. i) We present a new family of spatio-temporal descriptors which are optimized for early prediction with time-slice action annotations. Our predictive spatiotemporal interest point (Predict-STIP) representation is based on the intuition of temporal contingency between time-slices. ii) we exploit state-of-the art techniques to extract interest points in order to represent time-slices. We also present an accumulative uncertainty to depict the uncertainty associated with partially observed videos for the task of early activity recognition. iii) we use Convolutional Neural Networks-based unary and pairwise relations between human body joints in each time-slice. The unary term captures the local appearance of the joints while the pairwise term captures the local contextual relations between the parts. We extract these features from each frame in a time-slice and examine different temporal aggregations to generate a descriptor for the whole time-slice. Furthermore, we create a novel dataset which is annotated at multiple short temporal windows, allowing the modelling of the inherent uncertainty in time-slice activity recognition. All the three methods have been evaluated on TAP dataset. Experimental results demonstrate the effectiveness of our framework in the analysis of dyadic activities under uncertainty

Ce mémoire présente l'étude et la conception des machines à reluctance variable (SRM) ainsi que la modélisation et l'optimisation de la performance d'une génératrice à reluctance variable (SRG) quadriphasée. La conception préliminaire des SRM est réalisée et présentée. Elle utilise une méthode analytique pour le calcul des champs dans les différentes parties du circuit magnétique de la SRM à concevoir. La SRG est représentée par un modèle non-linéaire basé sur une caractéristique de magnétisation réelle qui peut être obtenue par des mesures expérimentales ou par la méthode des éléments finis. Cette modélisation est réalisée dans l'environnement Matlab/Simulink. L'optimisation de la performance de la SRG incluant la puissance électrique de sortie, les ondulations de couple et les pertes cuivre, est basée sur une analyse graphique des résultats de simulation du modèle pour un fonctionnement en vitesse variable pour différentes valeurs de la tension d'alimentation de la SRG.

Ce mémoire présente les algorithmes et le matériel utilisé dans le cadre de ce projet de localisation de sources sonores affectées par de la distorsion. Le système d’acquisition conçu est un réseau linéaire de capteurs acoustiques. Il permet l’enregistrement de données empiriques et offre une flexibilité dans le choix des paramètres, entre autres l’emploi d’un maximum de 12 capteurs, un espacement flexible entre ceux-ci et une amplification à gain variable. La propagation de l’onde sonore dans l’air est affectée par l’inhomogénéité du milieu, ce qui provoque la distorsion des fronts d’onde. Des algorithmes classiques, qui ne tiennent pas compte de la distorsion, et d’autres récupérant les fronts distordus sont utilisés pour localiser les sources. L’effet de cette distorsion sur la localisation est ainsi observé. Les signaux monochromatiques, utilisant les différences de phase, comme ceux d’impacts, exploitant les différences des temps d’arrivée, sont localisés. / In this project, we present the algorithms and the hardware used to locate acoustic sources affected by distortion. The designed acquisition system is a linear array of acoustic sensors. It allows the recording of experimental data and is flexible for the choice of its parameters. Among others, the system uses up to 12 sensors, a variable spacing between them and variable gain amplification. The propagation of the sound waves in air is affected by the environment inhomogeneity, which causes wavefront distortion. Classical algorithms, which don’t take into account the distortion, and other algorithms, recovering distorted wavefronts, are used to locate sources. The effects of wavefront distortion are then observed. Monochromatic signals, using the phase differences, and impact signals, using time difference of arrivals, are both located.

Ce mémoire vise à étudier la gestion de la polarisation et est axé sur la conception, la simulation et la fabrication d'un rotateur séparateur de polarisation (PSR) sur des plates-formes en silicium en utilisant une structure combinant un cône adiabatique à deux niveaux et un coupleur adiabatique. Après une introduction sur les systèmes de communication optique, spécifiquement sur les systèmes photoniques intégrés, nous introduisons le silicium sur isolateur (SOI) comme plateforme la plus attrayante pour notre circuit photonique intégré. Bien que la propriété intrinsèque de contraste élevé de SOI entraîne la petite taille de la puce, cette propriété entraîne également une forte dépendance de polarisation pour les dispositifs silicium photoniques (SiP). Pour résoudre le problème et supprimer cette dépendance, des circuits de diversité de polarisation ont été proposés et il est important de traiter la gestion de la polarisation sur la puce. Dans ce mémoire, le principe général de fonctionnement de la gestion de la polarisation est étudié en profondeur. Comme la rotation de polarisation est la fonction la plus importante de la gestion de la polarisation, nous nous concentrons sur les principes de base de la rotation de polarisation dans un dispositif à section unique. Nous discutons également de différents types de rotateurs de polarisation et donnons une introduction à l'évolution historique des rotateurs de polarisation. Enfin, les séparateurs de polarisation sont présentés comme le deuxième élément important dans la gestion de la polarisation, et différents types de séparateurs de polarisation sont présentés. Pour gérer efficacement la polarisation, il est essentiel de développer un PSR haute performance. Par conséquent, nous introduisons une structure efficace qui est basée sur la conversion de mode TM0-TE1 dans une conicité (taper) à deux niveaux sur SOI. Nous expliquons et motivons ce choix. Ensuite, nous décrivons la modélisation avec le logiciel Lumerical Finite Difference Time Domain (FDTD) ; les résultats de la simulation fournissent l'évolution des profils d'intensité des modes le long du dispositif. Par la suite, nous présentons les détails de la disposition sur la carte (layout) pour la fabrication et la caractérisation éventuelle des conceptions utilisant des coupleurs de bordure (edge couplers), ainsi que des conceptions utilisant des coupleurs à réseau (grating couplers). Pour évaluer la performance du PSR conçu pour deux applications différentes, nous proposons un modèle mathématique et iv les matrices de transfert. Enfin, la performance du PSR proposé est analysée dans un système de communication optique. / This thesis aims to study polarization management, and focuses on design, simulation and fabrication layout of a polarization splitter rotator (PSR) on silicon platforms by utilizing a structure combining an adiabatic bi-level taper and an adiabatic coupler. Following an introduction about optical communication systems and specifically integrated photonic systems, we introduce silicon-on-isolator (SOI) as the most attractive platform for our integrated photonic circuit. Although the intrinsic high-index contrast property of SOI leads to a very small footprint, this property also results in high polarization dependence for silicon photonic (SiP) devices. To solve the problem and remove this dependency, polarization diversity circuits have been proposed and it is important to deal with on-chip polarization management. In this thesis, the general operating principle of polarization management is thoroughly studied. As polarization rotation is the most important function of polarization management, we concentrate on the basic principles of polarization rotation in a single section device. We also discuss different types of polarization rotators and give an introduction to the historic evolution of polarization rotators. Finally, polarization beam splitters are introduced as the second important element in polarization management, and different types of polarization splitters are presented. To efficiently manage polarization, it is critical to develop a high performance PSR. Therefore, we introduce an efficient structure that is based on TM0-TE1 mode conversion in a bi-level taper on SOI. We explain and motivate that choice. Afterwards, we describe the modeling in Finite Difference Time Domain (FDTD) Lumerical software; simulation results provide the evolution of mode intensity profiles along the device. Subsequently, we present the layout details for fabrication and eventual characterization for designs using edge couplers, as well as designs using grating couplers. To evaluate the performance of the designed PSR for two different applications, we propose a mathematical model and the transfer matrices. Finally, the performance of the proposed PSR is analyzed in an optical communication system.

Selon un rapport de l’Agence centrale de renseignement (CIA) ¹, présenté dans un journal NDT ², il y avait un total de 3.3 millions km de pipelines dans 120 pays du monde en 2014. Cela signifie que les pipelines ont un rôle important à jouer dans l’infrastructure de l’énergie pour le transport de liquides ou du gaz naturel. Bien que les pipelines représentent le plus efficace et le plus fiable pour transporter divers liquides allant de l’eau à l’huile, ils sont vulnérables aux défauts externes et internes. Heureusement, une inspection périodique des pipelines peut augmenter leur sécurité et leur fonctionnalité et réduire les catastrophes environnementales ainsi que les pertes économiques causées par les potentielles explosions ou autres dysfonctionnements. Considérant les avantages des capteurs 3D qui permettent de créer une réplique numérique précise de la surface des objets réels en plus des avantages de la technologie d’Evaluation Non Destructive (END) qui fournit un suivi des défauts sous la surface, la présente recherche propose une solution visant à construire un modèle 3D d’un pipeline ou d’autres structures allongées pour suivre leur état. Dans ce but, nous mesurons d’abord la géométrie du pipeline avec des capteurs 3D portables et construisons le modèle 3D de la structure. Ensuite, les informations des défauts sous la surface qui sont estimées efficacement par des approches développées par d’autres membres de l’équipe en utilisant la thermographie infrarouge sont intégrées au modèle 3D reconstruit. Le manuscrit étudie différents défis liés à la modélisation 3D précise de grandes structures allongées et la répétabilité de l’approche de modélisation à des fins de contrôle de qualité et d’entretien à long terme. 1. The World Factbook, updated 18 May 2015. 2. Materials Evaluation (M.E.), vol. 73, no. 7, July 2015 / According to a Central Intelligence Agency (CIA) report ¹ presented in a flagship NDT journal ², there were a total of 3.3 million km of pipelines present in 120 countries in the world in 2014. This means that pipelines play an important role in the energy infrastructure in order to safely transport liquid or natural gas. Although pipelines are the most efficient and reliable way to carry various liquids ranging from water to oil, they are vulnerable to external and internal damages. Fortunately, a periodic inspection of pipelines can increase their functionality and decrease the environmental disasters as well as economic losses caused by potential spills, explosions or other malfunctions. In this context of the exploitation of pipelines and other similar elongated structures and considering the benefits of 3D sensors which allow us to create an accurate digital replica of the surface of physical objects in addition to the advantages of Non-Destructive Testing (NDT) technology which provides the ability of under-surface monitoring, our research proposes a solution to build a 3D model of pipeline or other elongated structures to monitor their status. For this purpose, we first measure the geometry of the pipeline by handheld 3D scanners and construct the 3D model of the structure. Then, the information of subsurface defects that is estimated efficiently by approaches developed by other team members using infrared thermography is integrated to the reconstructed 3D model. The manuscript investigates different challenges related to the 3D modeling of large elongated structures with high accuracy and repeatability for quality control purposes as well as for long-term maintenance. 1. The World Factbook, updated 18 May 2015. 2. Materials Evaluation (M.E.), vol. 73, no. 7, July 2015

Cette recherche évalue de nouvelles approches pour améliorer la performance des solutions de navigation pour lanceurs de satellite. La première est l’utilisation des données de la trajectoire de référence. L’idée de cette approche est de pondérer, tout au long de la mission, la confiance sur le fait que le lanceur suit la trajectoire prédite afin d’exploiter les données d’attitude de la trajectoire de référence dans la solution de navigation. La seconde approche est l’ajout d’un modèle stochastique du lanceur à la solution de navigation. Pour ce modèle, l’accélération et la vélocité angulaire sont représentées par une marche aléatoire dont la variance est ajustée en fonction de la connaissance des forces agissantes sur le lanceur. Finalement, l’usage de plusieurs unités de mesures inertielles bas de gamme est comparé à l’usage d’une seule unité de mesures inertielles de meilleure qualité. Le recours à plusieurs unités de mesures inertielles permet de répartir celles-ci sur la structure du lanceur. L’effet du positionnement de ces unités de mesures est évalué en comparant des solutions de navigation dont tous les capteurs sont placés dans la tête du lanceur à une solution où les capteurs sont répartis dans la tête de chacun des étages du lanceur. Quelques approches pour effectuer la fusion des unités de mesures inertielles sont testées ; fusion de toutes les unités de mesures dans une seule centrale inertielle, fusion de plusieurs centrales inertielles et fusion de plusieurs centrales inertielles avec contraintes géométrique. Pour plusieurs des solutions proposées ainsi que pour plusieurs autres déjà existantes, une étude exhaustive de l’observabilité est effectuée. L’observabilité est vérifiée à l’aide de la matrice d’observabilité, de l’étude de la propagation de la matrice de covariance et de l’analyse à la sensibilité à une mesure aberrante. Finalement, une méthode simplifiée pour évaluer les performances des solutions de navigation inertielle sur une trajectoire fixe est présentée. Les résultats montrent que l’usage des données de la trajectoire de référence permet de réduire l’erreur d’estimation du roulis. Cependant, l’ajout de ces données n’améliore pas l’observabilité du modèle de base sur lequel celles-ci sont ajoutées. Le recours à un modèle stochastique de la dynamique du lanceur n’apporte que des gains marginaux sur les estimations d’attitude, de vélocité et de position. Par contre, cette approche améliore substantiellement les estimations d’accélération et de vélocité angulaire. La distribution des capteurs inertiels sur la structure du lanceur n’améliore pas la précision de navigation. Cette dernière est même dégradée lorsque des capteurs sont perdus en raison des largages d’étages. La fusion de plusieurs unités de mesures inertielles à l’aide d’une centrale inertielle offre des performances équivalentes à celles obtenues avec une seule unité de mesure. Par contre, la fusion de plusieurs centrales inertielles permet de réduire l’erreur d’estimation. Qui plus est, des gains additionnels peuvent être obtenus lorsque des contraintes géométriques sur l’attitude, la vélocité et la position relatives entre les centrales inertielles sont ajoutées à cette dernière approche. Les tests d’observabilité ont montré que la modélisation des biais de capteurs par un processus de Markov plutôt que par une marche aléatoire a peu d’impact sur l’observabilité du modèle. De plus, sur une mission de courte durée, le choix du modèle pour représenter les biais de capteurs n’a qu’un effet négligeable sur la précision des estimations. Les analyses d’observabilité ont aussi montré que le recours à un seul récepteur GPS n’est pas suffisant pour assurer l’observabilité du roulis et que le biais de mesure de position du récepteur GPS n’est pas observable. / This research evaluates new approaches to improve the performance of navigation solutions for satellite launchers. The first is the use of data from the reference trajectory. The idea of this approach is to weigh, throughout the mission, the confidence that the launcher follows the predicted trajectory in order to exploit the attitude data of the reference trajectory in the navigation solution. The second approach is to add a stochastic model of the launcher to the navigation solution. For this model, the acceleration and the angular velocity are represented by a random walk whose variance is adjusted according to the knowledge of the forces acting on the launcher. Finally, the use of several low-end inertial measurement units is compared to the use of a single higher quality inertial measurement unit. The use of several inertial measurement units makes it possible to distribute these on the structure of the launcher. The effect of the positioning of these measurement units is evaluated by comparing navigation solutions of which all the sensors are placed in the head of the launcher to a solution where the sensors are distributed in the head of each stage of the launcher. Some approaches for merging the inertial measurement units data are tested; fusion of all the inertial measurement units in a single inertial navigation system, fusion of several inertial navigation systems and fusion of several inertial navigation systems with geometric constraints. For many of the proposed solutions as well as for several others already in existence, an exhaustive study of the observability is carried out. The observability is verified using the observability matrix, the study of the propagation of the covariance matrix and the analysis of the sensitivity to measurement outliers. Finally, a simplified method for evaluating the performance of inertial navigation solutions on a fixed trajectory is presented. The results show that the use of the reference trajectory data makes it possible to improve the roll estimate. However, adding these data does not improve the observability of the base model on which they are added. The use of a stochastic model of the launcher dynamics provides marginal gains on attitude, velocity and position estimates. On the other hand, this approach substantially improves the acceleration and angular velocity estimates. The distribution of inertial sensors on the launcher structure does not improve navigation accuracy. The latter is even degraded when sensors are lost due to stage jettisoning. Merging several inertial measurement units with a single inertial navigation system provides performance equivalent to that achieved with a single inertial measurement unit. On the other hand, the fusion of several inertial navigation systems makes it possible to reduce the estimation error. Moreover, additional gains can be obtained when geometric constraints on the relative attitude, velocity and position between inertial navigation systems are added to this latter approach. Observability tests have shown that modelling sensor biases by a Markov process rather than a random walk has little impact on the observability of the model. In addition, on a short-term mission, the choice of the model to represent the sensor bias has only a negligible effect on the precision of the estimates. Observability analyzes have also shown that the use of a single GPS receiver is not sufficient to ensure the observability of the roll and that the position measurement bias of the GPS receiver is not observable.

Afin d’étudier le cerveau humain dans le but d’aider les patients souffrant de maladies neurologiques, on a besoin d’une interface cérébrale entièrement implantable pour permettre l’accès direct aux neurones et enregistrer et analyser l’activité neuronale. Dans cette thèse, des interfaces cerveau-machine implantables (IMC) à très faible puissance basées sur plusieurs circuits et innovations de systèmes ont été étudiées pour être utilisées comme analyseur neuronal. Un tel système est destiné à recueillir l’activité neuronale émise par centaines de neurones tout en les activant à la demande en utilisant des moyens d’actionnement tels que l’électro- et / ou la photo-stimulation. Un tel système doit fournir plusieurs canaux d’enregistrement, tout en consommant très peu d’énergie, et présente une taille extrêmement réduite pour la sécurité et la biocompatibilité. Typiquement, un microsystème d’interfaçage avec le cerveau comprend plusieurs blocs, tels qu’un bloc analogique d’acquisition (AFE), un convertisseur analogique-numérique (ADC), des modules de traitement de signal numérique et un émetteur-récepteur de données sans fil. Un IMC extrait les signaux neuronaux du bruit, les numérise et les transmet à une station de base sans interférer avec le comportement naturel du sujet. Cette thèse se concentre sur les blocs analogiques d’acquisition à très faible consommation à utiliser dans l’IMC. Cette thèse présente des frontaux avec plusieurs stratégies innovantes pour consommer moins d’énergie tout en permettant des données de haute résolution et de haute qualité. Premièrement, nous présentons une nouvelle structure frontale utilisant un schéma de réutilisation du courant. Cette structure est extensible à un très grand nombre de canaux d’enregistrement, grâce à sa petite taille de silicium et à sa faible consommation d’énergie. L’AFE à réutilisation de courant proposée, qui comprend un amplificateur à faible bruit (LNA) et un amplificateur à gain programmable (PGA), utilise une nouvelle topologie de miroir de courant entièrement différentielle utilisant moins de transistors et améliorant plusieurs paramètres de conception, tels que la consommation d’énergie et du bruit, par rapport aux mises en oeuvre de circuit d’amplificateur de réutilisation de courant précédentes. Ensuite, dans la deuxième partie de cette thèse, nous proposons un nouveau convertisseur sigmadelta multicanal qui convertit plusieurs canaux indépendamment en utilisant un seul amplificateur et plusieurs condensateurs de stockage de charge. Par rapport aux techniques conventionnelles, cette méthode applique un nouveau schéma de multiplexage entrelacé, qui ne nécessite aucune phase de réinitialisation pour l’intégrateur lors du passage à un nouveau canal, ce qui améliore sa résolution. Lorsque la taille des puces n’est pas une priorité, d’autres approches peuvent être plus attrayantes, et nous proposons une nouvelle stratégie d’économie d’énergie basée sur un nouveau convertisseur sigma-delta à très basse consommation conçu pour réduire la consommation d’énergie. Ce nouveau convertisseur utilise une architecture basse tension basée sur une topologie prédictive innovante qui minimise la non-linéarité associée à l’alimentation basse tension. / Studying brain functionality to help patients suffering from neurological diseases needs fully implantable brain interface to enable access to neural activities as well as read and analyze them. In this thesis, ultra-low power implantable brain-machine-interfaces (BMIs) that are based on several innovations on circuits and systems are studied for use in neural recording applications. Such a system is intended to collect information on neural activity emitted by several hundreds of neurons, while activating them on demand using actuating means like electro- and/or photo-stimulation. Such a system must provide several recording channels, while consuming very low energy, and have an extremely small size for safety and biocompatibility. Typically, a brain interfacing microsystem includes several building blocks, such as an analog front-end (AFE), an analog-to-digital converter (ADC), digital signal processing modules, and a wireless data transceiver. A BMI extracts neural signals from noise, digitizes them, and transmits them to a base station without interfering with the natural behavior of the subject. This thesis focuses on ultra-low power front-ends to be utilized in a BMI, and presents front-ends with several innovative strategies to consume less power, while enabling high-resolution and high-quality of data. First, we present a new front-end structure using a current-reuse scheme. This structure is scalable to huge numbers of recording channels, owing to its small implementation silicon area and its low power consumption. The proposed current-reuse AFE, which includes a low-noise amplifier (LNA) and a programmable gain amplifier (PGA), employs a new fully differential current-mirror topology using fewer transistors. This is an improvement over several design parameters, in terms of power consumption and noise, over previous current-reuse amplifier circuit implementations. In the second part of this thesis, we propose a new multi-channel sigma-delta converter that converts several channels independently using a single op-amp and several charge storage capacitors. Compared to conventional techniques, this method applies a new interleaved multiplexing scheme, which does not need any reset phase for the integrator while it switches to a new channel; this enhances its resolution. When the chip area is not a priority, other approaches can be more attractive, and we propose a new power-efficient strategy based on a new in-channel ultra-low power sigma-delta converter designed to decrease further power consumption. This new converter uses a low-voltage architecture based on an innovative feed-forward topology that minimizes the nonlinearity associated with low-voltage supply.

Pour respecter les contraintes sur l’efficacité pour une machine électrique, il est important de faire une évaluation précise des pertes. Dans le cas des machines à aimants permanents alimentées par un onduleur à MLI, le contenu harmonique haute fréquence lié à la modulation peut rajouter des pertes additionnelles dans la machine que les modèles classiques ont tendance à négliger. Le développement de nouveaux modèles de pertes qui tiennent compte des pertes additionnelles, va permettre d’améliorer des méthodes d’analyse et de conception de machines électriques. Dans ce travail de recherche, différentes méthodes pour estimer les pertes dans les machines synchrones à aimants permanents, y compris les pertes mécaniques, les pertes magnétiques et les pertes cuivre sont présentées. Une nouvelle expression pour estimer les pertes magnétiques dans les tôles en tenant compte de l’effet de peau généré par des courants harmoniques de haute fréquence est élaborée. Concernant les pertes d’hystérésis, un algorithme pour l’identification de cycles mineurs est présenté. Un autre modèle analytique pour l’estimation des pertes MLI dans le stator de la machine à aimants permanents et une nouvelle approche pour l’estimation directe des pertes par courant de Foucault dans les tôles par calcul de champ en 2D sont aussi développés. La méthodologie pour la conception d’une machine à aimants permanents montés en surface est brièvement décrite. Un prototype a été conçu et mise en oeuvre pour mesurer les pertes dans différentes conditions de fonctionnement et valider les modèles de pertes. Différents modèles pour les pertes magnétiques sont comparés afin de sélectionner la méthode la plus appropriée dans le domaine du temps ou de la fréquence. Cette méthode est ensuite validée pour un large éventail de conditions de fonctionnement. Les pertes dans deux rotors à aimants permanents (avec et sans segmentation des aimants) sont comparés. L’effet de la segmentation des aimants et le choix du matériel pour la culasse du rotor sont aussi analysés. Les résultats sont ensuite utilisés pour valider les performances d’un modèle analytique pour estimer les pertes par courant de Foucault dans les aimants permanents. / In order to respect the constraints for efficiency in an electrical machine, losses should be accurately estimated. In the case of a permanent magnet machine fed by a PWM supply, the high frequency harmonic content of the current (associated with the modulation scheme), may generate additional losses in the machine which the conventional models tend to overlook. Development of new models which may take account of these additional losses will allow us to improve the analysis and design of the electrical machines. In this work various models for the prediction of losses in a permanent magnet machine including the mechanical losses, copper losses and magnetic losses are presented. A new loss expression for taking account of the skin effect in a laminated magnetic material due to high frequency harmonic content of the stator current is developed. Regarding hysteresis losses, an algorithm for the identification of the minor hysteresis cycles is presented. An analytical model for the estimation of the PWM losses in the stator of the permanent magnet machine, and a new method for the direct estimation of eddy current losses in the lamination material by 2D-FE analysis are also developed. The design methodology for the design of a surface mounted permanent magnet machine is briefly described. A prototype machine is designed and realised to measure the losses in a variety of operating conditions and validate the loss models. Various models for magnetic losses are compared in order to find the most appropriate method in the time or frequency domains. The method which offers the best performance is then validated in a wide range of operating conditions. The losses in two PM rotors (with or without magnet segmentation) are compared and the effect of magnet segmentation and the choice of rotor yoke material are investigated by 2D FE analysis. These results are also used to evaluate the performance of an analytical model for the prediction of eddy current losses in the rotor magnets.

La demande toujours croissante pour la capacité du réseau conduit au développement de systèmes de communication optique pour couvrir les normes Terabit Ethernet récemment proposées. Les applications de courte distance nécessitent une solution peu coûteuse et peu complexe avec détection directe. Cependant, le coût de la détection cohérente diminue chaque jour et en fait un bon candidat pour les applications à courte distance futures afin d'accroître l'efficacité spectrale et d'utiliser des formats de modulation avancés. Dans cette thèse, nous étudions des solutions pour les applications court-courrier actuelles et futures. Dans la première partie, nous nous concentrons sur des solutions pour les applications de courte distance. Le premier chapitre est la première démonstration de la transmission multi-tonalité discrète (DMT) à plus de 100 Gb/s en utilisant une photonique au silicium en bande O (SiP). Nous comparons expérimentalement le DMT avec la modulation d'amplitude d'impulsion (PAM) sur la bande O. Notre expérience montre qu'en augmentant la longueur des fibres de plus de 10 km, la PAM surpasse le DMT. Pour la bande C, nous utilisons un multi-ton discret à bande latérale unique (SSB-DMT) pour éviter l'effet d'évanouissement de la puissance induit par la dispersion chromatique. Nous étudions l'effet du bruit de phase, de la dispersion chromatique et de la sensibilité du récepteur pour optimiser le signal du DMT et extraire des équations théoriques pour calculer le taux d'erreur binaire (BER) du SSB-DMT. Ensuite, nous comparons la PAM sur bande O avec le SSB-DMT sur bande C et quantifions l'impact des limitations imposées par le matériel sur les deux formats de modulation. Notre étude fournit un outil analytique pour les applications de courte distance afin de sélectionner le format et le matériel de modulation appropriés en fonction de la portée requise, du débit binaire, etc. Dans la deuxième partie, le ciblage des futurs systèmes de détection cohérents justifié l'utilisation d'un format de modulation complexe avec détection cohérente. Nous utilisons un format de modulation avancé dans lequel nous avons combiné la propagation de transformée de Fourier discrète avec le DMT pour augmenter l'efficacité spectrale. Le format de modulation hybride a un rapport de puissance crête à moyenne inférieur (vis-à-vis du DMT) et une efficacité spectrale plus élevée (vis-à-vis de la QAM _a porteuse unique). Dans la première étape, nous comparons expérimentalement les performances des modulations hybrides, DMT standard et monoporteuse en utilisant un modulateur SiP IQ. Ensuite, nous développons une stratégie de contrôle pour le format de modulation hybride en échangeant la non-linéarité de la fonction de transfert du modulateur et le rapport signal / bruit optique. Le format de modulation hybride est ensuite optimisé pour avoir un débit maximum. En utilisant une simulation de Monte Carlo, nous comparons le format de modulation hybride optimisé avec le DMT standard pour différents débits binaires. Enfin, nous avons une comparaison de complexité entre hybride et DMT pour différentes longueurs de fibre. / Ever increasing demand for network capacity is driving the development of optical communication systems to cover recently proposed Terabit Ethernet standards. Short haul applications need low cost and low complexity solutions with direct detection, as the cost of coherent detection comes down, it will become a good candidate for future short-haul applications to increase spectral efficiency and exploit advanced modulation formats. In this thesis, we investigate solutions for both current and future short-haul systems. In the first part, we focus on solutions for short haul applications. The first chapter is the first time demonstration of more than 100 Gb/s discrete multi-tone (DMT) transmission using an O-band silicon photonics (SiP). We experimentally compare DMT with pulse amplitude modulation (PAM) on O-band. Our experiment shows that by increasing fiber length more than 10 km, PAM outperforms DMT. For C-band, we use single sideband discrete multi-tone (SSB-DMT) to avoid chromatic dispersion-induced power fading e_ect. We study the effect of phase noise, chromatic dispersion, and receiver sensitivity to optimize DMT signal and extract theoretical equations to calculate bit error rate (BER) of SSB-DMT. Next, we analytically compare PAM on O-band with SSB-DMT on C-band and quantify the impact of hardware-imposed limitations on both modulation formats. Our study provides an analytical tool for short haul applications to select appropriate modulation format and hardware based on required reach, bit rate, etc. In the second part we examine complex modulation formats that will be enabled in the future by low cost, integrated components for coherent detection.. We use an advanced modulation format in which we combined discrete Fourier transform spread with DMT to increase spectral efficiency. Hybrid modulation format has a lower peak to average power ratio (vis-a-vis DMT) and higher spectral efficiency (vis-a-vis single carrier QAM). In the first step, we experimentally compare the performance of the hybrid, standard DMT, and single carrier modulations using a SiP IQ modulator. Next, we develop a driving strategy for hybrid modulation format by trading off the modulator transfer function non-linearity and optical signal to noise ratio. Then hybrid modulation format is optimized to have maximum throughput. Using Monte Carlo simulation we compare optimized hybrid modulation format with standard DMT for different bit rates. Finally, we have a complexity comparison between hybrid and DMT for different fiber lengths to motivate same investigation for long-haul applications where, we should consider fiber non-linearity, attenuation, a polarization multiplexing.