L'optogénétique est une nouvelle méthode de contrôle de l’activité neuronale dans laquelle la lumière est employée pour activer ou arrêter certains neurones. Dans le cadre de ce travail, un dispositif permettant l’acquisition de signaux neuronaux et conduisant à une stimulation optogénétique de façon multicanale et temps-réel a été conçu. Cet outil est muni de deux canaux de stimulation optogénétique et de deux canaux de lecture des signaux neuronaux. La source de lumière est une DEL qui peut consommer jusqu’à 150 milliampères. Les signaux neuronaux acquis sont transmis à un ordinateur par une radio. Les dimensions sont d’environ 20×20×15 mm3 et le poids est de moins de 7 grammes, rendant l’appareil utile pour les expériences sur les petits animaux libres. Selon nos connaissances actuelles, le résultat de ce projet constitue le premier appareil de recherche optogénétique sans-fil, compact offrant la capture de signaux cérébraux et la stimulation optique simultanée. / Optogenetics is a new method for controlling the neural activity where light is used to activate or silence, with high spatial and temporal resolution, genetically light-sensitized neurons. In optogenetics, a light source such as a LED, targets light-sensitized neurons. In this work, a light-weight wireless animal optogenetic headstage has been designed that allows multi-channel simultaneous real-time optical stimulation and neural recording. This system has two optogenetic stimulation channels and two electrophysiological reading channels. The optogenetic stimulation channels benefit from high-power LEDs (sinking 150 milliamps) with flexible stimulation patterns and the recorded neural data is wirelessly sent to a computer. The dimensions of the headstage are almost 20×20×15 mm3 and it weighs less than 7 grams. This headstage is suitable for tests on small freely-moving rodents. To the best of our knowledge, this is the first reported fully wireless headstage to offer simultaneous multichannel optical stimulation along with multichannel neural recording capability.

L’amélioration de la sécurité des communications et la confidentialité de l’information exige de développer des nouvelles solutions reposant sur diverses stratégies. Une solution de sécurité multicouche pour les systèmes de communication numérique est d’abord explorée en considérant les effets conjoints de sécurité de codage de canal de la couche physique avec la couche d’application de la cryptographie. Nous présentons ensuite des modèles pratiques de codage qui peuvent être utilisés en conjonction avec la cryptographie pour assurer des taux d’erreur importants sur les observations d’un espion sur les données chiffrées, tout en garantissant des communications idéalement sans erreur pour les utilisateurs légitimes. Dans ce mémoire, on présente une étude des techniques de sécurité au niveau de la couche physique récemment proposées dans la littérature. Ces techniques utilisent les codes LDPC avec ensembles d’arrêt permettant de nuire au processus de décodage par un utilisateur non légitime, ou espion, à de faibles taux d’erreur. Ces codes sont très efficaces lorsque le récepteur légitime bénéficie d’un canal de retour authentifié. On s’intéresse également au codage sécuritaire à travers un canal gaussien AWGN. L’objectif est de construire des codes permettant de compromettre le décodage au niveau de l’espion aussitôt que le bruit au niveau du canal d’écoute dépasse un certain seuil. Les techniques utilisées dans ce contexte reposent sur les codes LDPC avec poinçonnage, avec insertion des bits virtuels et avec brouillage. / Improving communications security and confidentiality of information requires the development of new solutions based on various strategies. A multilayer security solution for digital communication systems is first explored by considering the effects of joint security channel coding at the physical layer with cryptography at the application layer. We then present practical coding models that can be used in conjunction with cryptography to ensure high error rate observations for an eavesdropper on encrypted data, while ensuring reliable communications for the legitimate users. In this Master’s thesis, we present a study of security techniques at the physical layer recently proposed in the literature. These techniques use LDPC codes with stopping sets to prevent the decoding of information by the eavesdropper even with the lowest error rates. These codes are very efficient when the legitimate receiver has access to an authenticated feedback channel. The thesis also focuses on secure coding through AWGN Gaussian channels. The goal is to construct codes that prevent proper decoding at the eavesdropper end’s as soon as the noise in the wiretap channel exceeds a certain threshold. The techniques used in this context are based on LDPC codes with puncturing, insertion of dummy bits and scrambling.

Avec l’émergence soutenue de capteurs et de dispositifs électrochimiques innovants, la spectroscopie d'impédance électrochimique est devenue l'un des outils les plus importants pour la caractérisation et la modélisation de la matière ionique et de l'interfaçage des capteurs. La capacité de détecter automatiquement, à l’aide de dispositifs électrochimiques peu couteux, les caractéristiques physiques et chimiques de la matière ionique ouvre une gamme d’application très variée pour la compréhension et l’optimisation des procédés ou interviennent les processus électrochimiques. Cette thèse décrit le développement d’une plate-forme microélectronique miniaturisée, connectée, multiplexée, et à faible coût pour la spectroscopie d'impédance diélectrique (SID) conçue pour les mesures électrochimiques in-situ et adaptée aux architectures de réseau sans fil. La plate-forme développée durant ce travail de maitrise a été testée et validée au sein d’une maille ZigBee et a été en mesure d'interfacer jusqu'à trois capteurs SID en même temps et de relayer l'information à travers le net Zigbee pour l'analyse de données et le stockage. Le système a été construit à partir de composants microélectroniques disponibles commercialement et bénéficie des avantages d'une calibration système on-the-fly qui effectue la calibration du capteur de manière aisée. Dans ce mémoire de maitrise, nous rapportons la modélisation et la caractérisation de senseurs électrochimiques de nitrate; notamment nous décrivons la conception microélectronique, la réponse d'impédance de Nyquist, la sensibilité et la précision de la mesure électrochimique, et les résultats de tests de la plate-forme pour les applications de spectroscopie d'impédance relatives à la détection du nitrate, de la détection de la qualité de l'eau, et des senseurs tactiles. / The emergence of the various applications of electrochemical sensors and devices, electrochemical impedance spectroscopy became one of the most important tools for characterizing and modeling of the material and interfacing the sensors. The ability to sense in an automatic manner enables a wide variety of processes to be better understood and optimized cost-effectively. This thesis describes the development of a low-cost, miniaturized, multiplexed, and connected platform for dielectric impedance spectroscopy (DIS) designed for in-situ measurements and adapted to wireless network architectures. The platform has been tested and used as a DIS sensor node on a ZigBee mesh and was able to interface up to three DIS sensors at the same time and relay the information through the Zigbee net for data analysis and storage. The system was built from commercial microelectronics components and benefits from an on-the-fly calibration system that makes sensor calibration easy. The thesis reports characterizing and modeling of two electro-chemical devices (i.e. nitrate sensor and optically-transparent electrically-conductive glasses) and also describes the microelectronics design, the Nyquist impedance response, the measurement sensitivity and accuracy, and the testing of the platform for in-situ dielectric impedance spectroscopy applications pertaining to fertilizer sensing, water quality sensing, and touch sensing.

Le niveau de confort thermique est devenu un important critère à considérer durant la conception des habitations contemporaines. Dans certaines régions du monde, la ventilation naturelle ne permet pas de maintenir un environnement confortable à l'intérieur des habitations. On a recours aux systèmes de climatisation pour créer un microclimat intérieur artificiel confortable. Le microclimat intérieur est une combinaison de la température de l'air, de la vitesse de l'air, de l'humidité de l'air et de la température moyenne de rayonnement. Dans cette thèse, nous développons une instrumentation qui utilise la thermographie infrarouge pour mesurer et visualiser les paramètres du microclimat intérieur. Nous entamons nos investigations par la conception d'un capteur et procédons à la validation théorique de son modèle thermique. Ce capteur est l'élément intermédiaire qui permet de quantifier et de visualiser les paramètres du microclimat intérieur à l'aide d'une caméra infrarouge. La quantification de ces paramètres est possible après qu'un problème de transfert thermique inverse ait été résolu. La visualisation de ces paramètres est possible après que les coordonnées 3D d'un ensemble de capteurs disposés dans le champ de vision de la caméra aient été déterminées. Des outils de traitement d'images sont présentés et permettent la mesure précise de la température des capteurs et la localisation 3D de ces capteurs dans l'espace réel. Une validation expérimentale est finalement effectuée. Il en ressort que le système de mesure développé est précis, fiable, et robuste. Une caméra infrarouge et un ensemble de capteurs judicieusement disposés dans l'espace peuvent permettre de quantifier et de cartographier le microclimat intérieur. / The level of thermal comfort has become an important criterion to consider during the design of contemporary buildings. In some parts of the world, natural ventilation is not adequate to maintain a comfortable indoor environment. Air conditioning systems are used in order to create a comfortable artificial indoor microclimate. The indoor microclimate is a combination of air temperature, air speed, humidity and mean radiant temperature. In this thesis, we develop a measuring system that uses infrared thermography to measure and visualize the parameters of the indoor microclimate. We begin our investigations by designing a sensor and we proceed to the theoretical validation of its thermal model. This sensor is the auxiliary element which allows the quantification and the visualization of the parameters of the indoor microclimate with an infrared camera. The quantification of these parameters is possible after that an inverse heat transfer problem has been solved. The visualization of these parameters is possible after that the 3D coordinates of a set of sensors placed in the field of view of the camera have been determined. Image processing tools are presented and allow the accurate measurement of sensors temperature and the 3D location of the sensors in real space. Finally, an experimental validation is realized. The results show that the system developed is accurate, reliable, and robust. An infrared camera and a set of sensors wisely arranged in space can be used to quantify and map the indoor microclimate.

Le bruit de phase est un problème important dans la conception de systèmes cohérents optiques. Bien que le bruit de phase soit étudié énormément dans les communications sans fil, certains aspects de bruit de phase sont nouveaux dans des systèmes cohérents optiques. Dans cette thèse, nous explorons les statistiques de bruit de phase dans les systèmes optiques cohérentes et proposons une nouvelle technique pour améliorer la robustesse du système envers le bruit de phase. Notre première contribution traite de l’étude des statistiques de bruit de phase en présence de compensation électronique de la dispersion chromatique (CD) dans des systèmes cohérents. Nous montrons que le modèle proposé précédemment pour l’interaction de CD avec bruit de phase doit être modifié à cause d’un modèle trop simple pour la récupération de phase. Nous dérivons une expression plus précise pour le bruit de phase estimé par la récupération de phase avec décision dirigée (DD), et utilisons cette expression pour modifier les statistiques de décision pour les symboles reçus. Nous calculons le taux d’erreur binaire (BER) pour le format de transmission DQPSK semi-analytiquement en utilisant nos statistiques de décision modifiées et montrons que pour la récupération de phase idéale, le BER semi-analytique est bien assorti avec le BER simulé avec la technique Monte-Carlo (MC). Notre deuxième contribution est l’adaptation d’une technique de codage MLCM pour les systèmes cohérents limités par le bruit de phase et le bruit blanc additif Gaussien (AWGN). Nous montrons que la combinaison d’une constellation optimisée pour le bruit de phase avec MLCM offre un système robuste à complexité modérée. Nous vérifions que la performance de MLCM dans des systèmes cohérents avec constellations 16-aires se détériorés par le bruit de phase non-linéaire et de Wiener. Pour le bruit de phase non-linéaire, notre conception de MLCM démontre une performance supérieure par rapport àune conception de MLCM déjà présente dans la littérature. Pour le bruit de phase de Wiener, nous comparons deux format de transmission, constellations carrées et optimisée pour bruit de phase, et deux techniques de codage, MLCM et codage à débit uniforme. Nos résultats expérimentaux pour BER après codage suivent les mêmes tendances que le BER simulé et confirment notre conception. / Phase noise is an important issue in designing today’s optical coherent systems. Although phase noise is studied heavily in wireless communications, some aspects of phase noise are novel in optical coherent systems. In this thesis we explore phase noise statistics in optical coherent systems and propose a novel technique to increase system robustness toward phase noise. Our first contribution deals with the study of phase noise statistics in the presence of electronic chromatic dispersion (CD) compensation in coherent systems. We show that previously proposed model for phase noise and CD interaction must be modified due to an overly simple model of carrier phase recovery. We derive a more accurate expression for the estimated phase noise of decision directed (DD) carrier phase recovery, and use this expression to modify the decision statistics of received symbols. We calculate bit error rate (BER) of a differential quadrature phase shift keying (DQPSK) system semi-analytically using our modified decision statistics and show that for ideal DD carrier phase recovery the semi-analytical BER matches the BER simulated via Monte-Carlo (MC) technique. We show that the semi-analytical BER is a lower bound of simulated BER from Viterbi-Viterbi (VV) carrier phase recovery for a wide range of practical system parameters. Our second contribution is concerned with adapting a multi-level coded modulation (MLCM) technique for phase noise and additive white Gaussian noise (AWGN) limited coherent system. We show that the combination of a phase noise optimized constellation with MLCM offers a phase-noise robust system at moderate complexity. We propose a numerical method to design set-partitioning (mapping bits to symbols) and optimizing code rates for minimum block error rate (BLER).We verify MLCM performance in coherent systems of 16-ary constellations impaired by nonlinear and Wiener phase noise. For nonlinear phase noise, superior performance of our MLCM design over a previously designed MLCM system is demonstrated in terms of BLER. For Wiener phase noise, we compare optimized and square 16-QAM constellations assuming either MLCM or uniform rate coding. We compare post forward error correction (FEC) BER in addition to BLER by both simulation and experiment and show that superior BLER performance is translated into post FEC BER. Our experimental post FEC BER results follow the same trends as simulated BER, validating our design.

De nombreuses recherches sont conduites dans le domaine de la vision 3D pour effectuer la comparaison entre les modèles 3D d’objets et d’êtres humains. En fait la comparaison des modèles 3D est apparentée à la récupération des modèles appartenant à une grande base de données et elle comprend les procédures suivantes : la reconnaissance des objets, leur classification en catégories ou groupes selon leur type et enfin la comparaison des objets d’un même groupe afin d’identifier certains aspects de conformité ou de variabilité de la forme. L’alignement des modèles 3D entiers permet de comparer ces modèles et de détecter la déformation locale. Il existe deux sortes de déformations des objets: la première déformation affecte principalement la position des parties de l’objet ou bien l’objet tout entier dans le cas d’articulation, de fléchissement ou de contraction sans aucune altération du volume. La deuxième déformation résulte d’un changement de volume de l’objet dû à une variation de masse. D’autres cas plus compliqués existent quand le changement de la forme comporte les deux sortes de déformations à la fois. Dans ce projet on présente une "méthode d’inspection" basée sur un alignement exact des parties rigides des modèles 3D qui ont subi une déformation locale. Ici la déformation locale implique le changement de quelques parties des modèles plutôt qu’une déformation globale. On présente une approche capable de détecter la région qui a subi un changement pour un objet qui s’est déformé avec le temps. Cette approche explore deux types de transformations intéressants : la transformation altérant le volume d’un corps suite à une inflation ou une déflation d’une ou de plusieurs parties de l’objet et la transformation conservant le volume résultant d’un cintrage, d’une torsion, d’une rotation ou de l’écartement d’une ou de plusieurs parties d’un objet. En général, les parties internes sont les parties au voisinage du centre de gravité, tandis que les parties externes sont situées à l’extrémité d’un corps. Différents cas de déformation sur des objets synthétiques et des objets réels ont été étudiés afin de détecter les défauts pouvant se présenter lors leur fabrication pour vérifier et contrôler la qualité de cette construction. On a aussi testé notre approche de comparaison sur des parties du corps humain entre autres pour la détection et le dimensionnement d’une lésion (tumeur) visible en surface. Notre méthodologie réussit à détecter des déformations locales avec une précision meilleure sinon comparable à d’autres méthodes d’inspection industrielle. / In 3D vision several studies have been conducted to perform the comparison of 3D objects or human models. In fact the comparison of 3D models is sometimes related to the retrieval of models belonging to a large database, and it includes the following procedures: the recognition of objects, their classification in categories or groups according to their types and finally the comparison of the models in the same group in order to identify certain aspects of resemblance or variability in their shapes. The alignment of entire 3D models also enables their comparison for the detection of possible local deformations. There are two sorts of deformation of models: the first mainly affects the position of parts of the object or the whole object in cases such as the articulation, the stretching or the contraction of parts without altering the volume of the object. The second type of deformation results from a change in volume due to mass variation. Other more complicated cases occur when the change in form includes both kinds of deformation at the same time. In this project we propose an “inspection method” based on an exact registration technique of the rigid parts of the deformable models that have undergone local deformations. When the deformation is local, it means that there is a change of some parts of the model rather than a global deformation of the whole object. We propose an approach that is able to detect the region of deformation. This approach exploits two kinds of local deformations: non-volume conservative transformations caused by either the inflation or the deflation of models’ parts and volume conservative transformations caused by bending, twisting, rotating or displacement of either internal or external parts of the model. In general, the internal parts are the middle parts of an object, while the external parts are the parts at the extremities or the end parts. We have experimented on different cases of deformations on man-made objects and mechanical parts for industrial inspection of possible artifacts and defects, and for quality control purposes as well. We have also applied our comparison method on parts of the human body. Examples relevant to medical applications are the detection and inspection of a lesion which are also tested in this work. Our algorithm is not only successful for detecting local change but it also achieves high accuracy comparable to other well-known industrial inspection technique.

Nous élaborons une interface cerveau-machine (ICM) entièrement sans fil afin de fournir un système de liaison directe entre le cerveau et les périphériques externes, permettant l’enregistrement et la stimulation du cerveau pour une utilisation permanente. Au cours de cette thèse, nous explorons la modélisation de canal, les antennes implantées et portables en tant que propagateurs appropriés pour cette application, la conception du nouveau système d’un émetteur-récepteur UWB implantable, la conception niveau système du circuit et sa mise en oeuvre par un procédé CMOS TSMC 0.18 um. En plus, en collaboration avec Université McGill, nous avons conçu un réseau de seize antennes pour une détection du cancer du sein à l’aide d’hyperfréquences. Notre première contribution calcule la caractérisation de canal de liaison sans fil UWB d’implant à l’air, l’absorption spécifique moyennée (ASAR), et les lignes directrices de la FCC sur la densité spectrale de puissance UWB transmis. La connaissance du comportement du canal est nécessaire pour déterminer la puissance maximale permise à 1) respecter les lignes directrices ANSI pour éviter des dommages aux tissus et 2) respecter les lignes directrices de la FCC sur les transmissions non autorisées. Nous avons recours à un modèle réaliste du canal biologique afin de concevoir les antennes pour l’émetteur implanté et le récepteur externe. Le placement des antennes est examiné avec deux scénarios contrastés ayant des contraintés de puissance. La performance du système au sein des tissus biologiques est examinée par l’intermédiaire des simulations et des expériences. Notre deuxième contribution est dédiée à la conception des antennes simples et à double polarisation pour les systèmes d’enregistrement neural sans fil à bande ultra-large en utilisant un modèle multicouches inhomogène de la tête humaine. Les antennes fabriquées à partir de matériaux flexibles sont plus facilement adaptées à l’implantation ; nous étudions des matériaux à la fois flexibles et rigides et examinons des compromis de performance. Les antennes proposées sont conçues pour fonctionner dans une plage de fréquence de 2-11 GHz (ayant S11-dessous de -10 dB) couvrant à la fois la bande 2.45 GHz (ISM) et la bande UWB 3.1-10.6 GHz. Des mesures confirment les résultats de simulation et montrent que les antennes flexibles ont peu de dégradation des performances en raison des effets de flexion (en termes de correspondance d’impédance). Finalement, une comparaison est réalisée entre quatre antennes implantables, couvrant la gamme 2-11 GHz : 1) une rigide, à la polarisation simple, 2) une rigide, à double polarisation, 3) une flexible, à simple polarisation et 4) une flexible, à double polarisation. Dans tous les cas une antenne rigide est utilisée à l’extérieur du corps, avec une polarisation appropriée. Plusieurs avantages ont été confirmés pour les antennes à la polarisation double : 1) une taille plus petite, 2) la sensibilité plus faible aux désalignements angulaires, et 3) une plus grande fidélité. Notre troisième contribution fournit la conception niveau système de l’architecture de communication sans fil pour les systèmes implantés qui stimulent simultanément les neurones et enregistrent les réponses de neurones. Cette architecture prend en charge un grand nombre d’électrodes (> 500), fournissant 100 Mb/s pour des signaux de stimulation de liaison descendante, et Gb/s pour les enregistrements de neurones de liaison montante. Nous proposons une architecture d’émetteur-récepteur qui partage une antenne ultra large bande, un émetteur-récepteur simplifié, travaillant en duplex intégral sur les deux bandes, et un nouveau formeur d’impulsions pour la liaison montante du Gb/s soutenant plusieurs formats de modulation. Nous présentons une démonstration expérimentale d’ex vivo de l’architecture en utilisant des composants discrets pour la réalisation les taux Gb/s en liaison montante. Une bonne performance de taux d’erreur de bit sur un canal biologique à 0,5, 1 et 2 Gb/s des débits de données pour la télémétrie de liaison montante (UWB) et 100 Mb/s pour la télémétrie en liaison descendante (bande 2.45 GHz) est atteinte. Notre quatrième contribution présente la conception au niveau du circuit d’un dispositif d’émission en duplex total qui est présentée dans notre troisième contribution. Ce dispositif d’émission en duplex total soutient les applications d’interfaçage neural multimodal et en haute densité (les canaux de stimulant et d’enregistrement) avec des débits de données asymétriques. L’émetteur (TX) et le récepteur (RX) partagent une seule antenne pour réduire la taille de l’implant. Le TX utilise impulse radio ultra-wide band (IR-UWB) basé sur une approche alliant des bords, et le RX utilise un nouveau 2.4 GHz récepteur on-off keying (OOK).Une bonne isolation (> 20 dB) entre le trajet TX et RX est mis en oeuvre 1) par mise en forme des impulsions transmises pour tomber dans le spectre UWB non réglementé (3.1-7 GHz), et 2) par un filtrage espace-efficace du spectre de liaison descendante OOK dans un amplificateur à faible bruit RX. L’émetteur UWB 3.1-7 GHz peut utiliser soit OOK soit la modulation numérique binaire à déplacement de phase (BPSK). Le FDT proposé offre une double bande avec un taux de données de liaison montante de 500 Mbps TX et un taux de données de liaison descendante de 100 Mb/s RX, et il est entièrement en conformité avec les standards TSMC 0.18 um CMOS dans un volume total de 0,8 mm2. Ainsi, la mesure de consommation d’énergie totale en mode full duplex est de 10,4 mW (5 mW à 100 Mb/s pour RX, et de 5,4 mW à 500 Mb/s ou 10,8 PJ / bits pour TX). Notre cinquième contribution est une collaboration avec l’Université McGill dans laquelle nous concevons des antennes simples et à double polarisation pour les systèmes de détection du cancer du sein à l’aide d’hyperfréquences sans fil en utilisant un modèle multi-couche et inhomogène du sein humain. Les antennes fabriquées à partir de matériaux flexibles sont plus facilement adaptées à des applications portables. Les antennes flexibles miniaturisées monopôles et spirales sur un 50 um Kapton polyimide sont conçus, en utilisant high frequency structure simulator (HFSS), à être en contact avec des tissus biologiques du sein. Les antennes proposées sont conçues pour fonctionner dans une gamme de fréquences de 2 à 4 GHz. Les mesures montrent que les antennes flexibles ont une bonne adaptation d’impédance dans les différentes positions sur le sein. De Plus, deux antennes à bande ultralarge flexibles 4 × 4 (simple et à double polarisation), dans un format similaire à celui d’un soutien-gorge, ont été développés pour un système de détection du cancer du sein basé sur le radar. / We are working on a fully wireless brain-machine-interface to provide a communication link between the brain and external devices, enabling recording and stimulating the brain for permanent usage. In this thesis we explore channel modeling, implanted and wearable antennas as suitable propagators for this application, system level design of an implantable UWB transceiver, and circuit level design and implementing it by TSMC 0.18 um CMOS process. Also, in a collaboration project with McGill University, we designed a flexible sixteen antenna array for microwave breast cancer detection. Our first contribution calculates channel characteristics of implant-to-air UWB wireless link, average specific absorption rate (ASAR), and FCC guidelines on transmitted UWB power spectral density. Knowledge of channel behavior is required to determine the maximum allowable power to 1) respect ANSI guidelines for avoiding tissue damage and 2) respect FCC guidelines on unlicensed transmissions. We utilize a realistic model of the biological channel to inform the design of antennas for the implanted transmitter and the external receiver. Antennas placement is examined under two scenarios having contrasting power constraints. Performance of the system within the biological tissues is examined via simulations and experiments. Our second contribution deals with designing single and dual-polarization antennas for wireless ultra-wideband neural recording systems using an inhomogeneous multi-layer model of the human head. Antennas made from flexible materials are more easily adapted to implantation; we investigate both flexible and rigid materials and examine performance trade-offs. The proposed antennas are designed to operate in a frequency range of 2–11 GHz (having S11 below -10 dB) covering both the 2.45 GHz (ISM) band and the 3.1–10.6 GHz UWB band. Measurements confirm simulation results showing flexible antennas have little performance degradation due to bending effects (in terms of impedance matching). Finally, a comparison is made of four implantable antennas covering the 2-11 GHz range: 1) rigid, single polarization, 2) rigid, dual polarization, 3) flexible, single polarization and 4) flexible, dual polarization. In all cases a rigid antenna is used outside the body, with an appropriate polarization. Several advantages were confirmed for dual polarization antennas: 1) smaller size, 2) lower sensitivity to angular misalignments, and 3) higher fidelity. Our third contribution provides system level design of wireless communication architecture for implanted systems that simultaneously stimulate neurons and record neural responses. This architecture supports large numbers of electrodes (> 500), providing 100 Mb/s for the downlink of stimulation signals, and Gb/s for the uplink neural recordings. We propose a transceiver architecture that shares one ultra-wideband antenna, a streamlined transceiver working at full-duplex on both bands, and a novel pulse shaper for the Gb/s uplink supporting several modulation formats. We present an ex-vivo experimental demonstration of the architecture using discrete components achieving Gb/s uplink rates. Good bit error rate performance over a biological channel at 0.5, 1, and 2 Gbps data rates for uplink telemetry (UWB) and 100 Mbps for downlink telemetry (2.45 GHz band) is achieved. Our fourth contribution presents circuit level design of the novel full-duplex transceiver (FDT) which is presented in our third contribution. This full-duplex transceiver supports high-density and multimodal neural interfacing applications (high-channel count stimulating and recording) with asymmetric data rates. The transmitter (TX) and receiver (RX) share a single antenna to reduce implant size. The TX uses impulse radio ultra-wide band (IR-UWB) based on an edge combining approach, and the RX uses a novel 2.4-GHz on-off keying (OOK) receiver. Proper isolation (> 20 dB) between the TX and RX path is implemented 1) by shaping the transmitted pulses to fall within the unregulated UWB spectrum (3.1-7 GHz), and 2) by spaceefficient filtering (avoiding a circulator or diplexer) of the downlink OOK spectrum in the RX low-noise amplifier. The UWB 3.1-7 GHz transmitter can use either OOK or binary phase shift keying (BPSK) modulation schemes. The proposed FDT provides dual band 500-Mbps TX uplink data rate and 100 Mbps RX downlink data rate, and it is fully integrated into standard TSMC 0.18 um CMOS within a total size of 0.8 mm2. The total measured power consumption is 10.4 mW in full duplex mode (5 mW at 100 Mbps for RX, and 5.4 mW at 500 Mbps or 10.8 pJ/bit for TX). Our fifth contribution is a collaboration project with McGill University which we design single and dual-polarization antennas for wireless ultra-wideband breast cancer detection systems using an inhomogeneous multi-layer model of the human breast. Antennas made from flexible materials are more easily adapted to wearable applications. Miniaturized flexible monopole and spiral antennas on a 50 um Kapton polyimide are designed, using a high frequency structure simulator (HFSS), to be in contact with biological breast tissues. The proposed antennas are designed to operate in a frequency range of 2–4 GHz (with reflection coefficient (S11) below -10 dB). Measurements show that the flexible antennas have good impedance matching while in different positions with different curvature around the breast. Furthermore, two flexible conformal 4×4 ultra-wideband antenna arrays (single and dual polarization), in a format similar to that of a bra, were developed for a radar-based breast cancer detection system.

La mise en registre et l'intégration des vues est une phase essentielle et inévitable dans un processus de modélisation 3D. L'étape la plus difficile de ce problème est d'estimer les poses relatives entre les vues sans utiliser l'information initiale sur la position du capteur ni d'intervention de l'utilisateur avant l'étape d'acquisition. Nous proposons une méthode de mise en registre globale automatique pour les données en format de nuages de points. Le principal problème abordé dans cette thèse est de résoudre le problème d'intégration et de mise en registre de vues dans la modélisation 3D pour les données en format de nuages de points. L'approche globale proposée est basée sur le framework de champ vectoriel et effectue automatiquement une mise en registre de grossière à plus précise sans formuler d'hypothèse sur la position initiale entre les vues ou de pré-traitement manuel de positionnement initial. En particulier, nous exploitons une représentation de champ vectoriel augmentée afin d'implémenter la segmentation et l'extraction de caractéristiques sur la surface d'un objet afin de détecter des correspondances. En outre, le processus de rafinement de pose dans le champ vectoriel réduit la complexité de la recherche de correspondances du point le plus proche puisque l'information est implicitement codée dans la représentation de champ vectoriel. De plus, en exploitant la représentation de champ vectoriel, nous offrons une nouvelle méthode de mise en registre qui supporte toutes les étapes de la modélisation 3D sans nécessiter de transformation de la représentation des données. Une solution alternative à l'aide d'une variation de RANSAC-DARCES basée sur le champ vectoriel permet au procédé proposé de traiter des objets de différents types de géométrie. Enfin, l'approche proposée est validée sur plusieurs ensembles de données tels que les modèles standards, ainsi que de vrais modèles numérisés par des scanners portatifs tenus en main. La performance de la méthode proposée est évaluée par inspection visuelle et quantitativement par la mesure de l'erreur de correspondance. / View integration and registration is an essential and unavoidable phase in a 3D modeling process. The most challenging step of this problem is to estimate relative poses between views without using any initial information of the scanning position or using intervention prior to the acquisition step. We propose an automatic global registration method for point cloud data. The main problem addressed in this thesis is to solve the view integration and registration problem in 3D modeling for point cloud data. The proposed global approach is based on the Vector Field framework and automatically performs coarse to fine registration without requiring any assumption on the initial position between views or manual pre-processing for initial positioning. In particular, we exploit an augmented Vector Field representation to implement segmentation and extraction of features on the surface of an object in order to detect correspondences. In addition, the pose refinement process in the Vector Field reduces the complexity of the search for closest point correspondence since the information is implicitly encoded in the Vector Field representation. Also by exploiting the Vector Field representation, we provide a new method of registration that supports all steps of 3D modeling without requiring transformation of the data representation. An alternative solution using a variation of RANSAC-DARCES based in the Vector Field enables the proposed method to deal with objects of various types of geometry. Finally, the proposed approach is validated on multiple data sets such as standard models as well as real models scanned by hand-held scanners. The performance of the proposed method is evaluated by visual inspection as well as quantitatively by measuring the correspondence error.

Le brouillage coopératif est une approche qui a été proposée récemment pour améliorer la sécurité sur la base de la couche physique pour les réseaux sans fil soumis à l’écoute clandestine. Il permet d’augmenter la capacité secrète entre les utilisateurs légitimes. Alors que la source transmet son message au destinataire, des noeuds de relais coopèrent entre eux pour diffuser des signaux perturbateurs à l’espion pour l’empêcher d’écouter avec fiabilité la communication légitime. En plus, la connaissance des messages des utilisateurs légitimes permet d’interférer intelligemment l’espion. Dans le présent mémoire, on étudie plusieurs scénarios de brouillage coopératif avec NJ relais brouilleurs. Chaque scénario sera une amélioration des inconvénients détectés dans celui qui le précède. A la fin, on propose un algorithme qui garantit une liaison légitime fiable et assurer au même temps un taux sécuritaire le plus élevé possible. Cela, en se basant sur les observations des précédentes stratégies étudiées. / Cooperative jamming is an approach that has recently been proposed to improve security on the basis of the physical layer for wireless networks subject to eavesdropping. It allows an increase in the secrecy capacity between legitimate users. While a source transmits its message to its destination, relay nodes cooperate with each other to broadcast interference signals to the eavesdroppers to prevent him to make reliable observations of the legitimate communication. The knowledge of the messages of other users allows the legitimate user to interfere or jam intelligently. In this Master’s thesis, we study several cooperative interference scenarios with NJ jammers relays. Each scenario will be an improvement of the inconveniences detected in the preceding one. Finally, we propose an algorithm that ensures a reliable connection between legitimate users and at the same time ensure a safe secret rates as high as possible. This, based on observations of previous strategies studied.

Des stations de mesure de la qualité de l’eau sont utilisées pour mesurer la qualité de l'eau à haute fréquence. Pour une gestion efficace de ces mesures, la qualité des données doit être vérifiée. Dans une méthode univariée précédemment développée, des points aberrants et des fautes étaient détectés dans les données mesurées par ces stations en employant des modèles à lissage exponentiel pour prédire les données au moment suivant avec l’intervalle de confiance. Dans la présente étude, ne considérant que le cas univarié, la détection de points aberrants est améliorée par l’identification d’un modèle autorégressif à moyenne mobile sur une fenêtre mobile de données pour prédire la donnée au moment suivant. Les données de turbidité mesurées à l'entrée d'une station d'épuration municipale au Danemark sont utilisées comme étude de cas pour comparer la performance de l’utilisation des deux modèles. Les résultats montrent que le nouveau modèle permet de prédire la donnée au moment suivant avec plus de précision. De plus, l’inclusion du nouveau modèle dans la méthode univariée présente une performance satisfaisante pour la détection de points aberrants et des fautes dans les données de l'étude de cas. / Water quality monitoring stations are used to measure water quality at high frequency. For effective data management, the quality of the data must be evaluated. In a previously developed univariate method both outliers and faults were detected in the data measured by these stations by using exponential smoothing models that give one-step ahead forecasts and their confidence intervals. In the present study, the outlier detection step of the univariate method is improved by identifying an auto-regressive moving average model for a moving window of data and forecasting one-step ahead. The turbidity data measured at the inlet of a municipal treatment plant in Denmark is used as case study to compare the performance of the use of the two models. The results show that the forecasts made by the new model are more accurate. Also, inclusion of the new forecasting model in the univariate method shows satisfactory performance for detecting outliers and faults in the case study data.