Le domaine de l'electronique embarquee est une dimension essentielle des technologies de<br />l'information et de la communication. Le terme systemes enfouis désigne son intégration sous<br />forme de composants d'un système plus complexe issus des domaines de l'avionique, de l'automobile,<br />des objets mobiles communiquants, du multimedia etc. Leur realisation sous la forme<br />de systemes sur silicium (SOC) souligne la complexite et l'heterogeneité qui les caractérisent<br />desormais. La maitrise de la conception des SOC représente un enjeu économique majeur a la<br />hauteur de la place qu'ils occupent dans tous les secteurs d'activites (industriel, loisirs, domestique).<br />Les outils et méthodes pour la conception de SOC constituent un domaine de recherche<br />multi-formes dont le but global est de concevoir rapidement des systemes qui soient fiables,<br />performants et efficaces d'un point de vue energétique.<br />Ce document est une synthese de mes recherches effectues dans le domaine général des<br />outils et methodes de conception de SOC. Plus précisément, les travaux detailles ici traitent des<br />differents aspects d'un domaine unique a savoir l'exploration de l'espace de conception des SOC<br />eventuellement reconfigurables. Ces travaux de recherche s'articulent principalement autour de<br />six projets menes depuis la these de doctorat. Il s'agit de l'exploration de la hierarchie memoire,<br />du projet Design Trotter pour l'exploration des solutions architecturales de la specification<br />algorithmique jusqu'au niveau tache au sens temps réel. Dans le domaine de la gestion des<br />entrees/sortie les projets presentes traitent d'un exemple d'interface reseau / flux multimédia<br />et d'un environnement μSpider de synthese et de dimensionnement de Network On Chip. Enfin,<br />le document présente le projet en cours dans le domaine des architectures auto-reconfigurables.

Le SLAM, " Simultaneous Localisation And Mapping ", représente à l'heure actuelle l'une des principales thématiques investiguées dans le domaine des robots mobiles autonomes. Il permet, à l'aide de capteurs extéroceptifs (laser, caméra, radar, etc.) et proprioceptifs (odomètre, gyromètre, etc.), de trouver l'orientation et la localisation d'un robot dans un environnement extérieur vaste, inconnu ou modifié, avec la possibilité de créer une carte au fur et à mesure des déplacements du véhicule. Les travaux de thèse décrits dans ce manuscrit s'intègrent dans ce courant de recherche. Ils visent à développer un SLAM innovant qui utilise un radar à modulation de fréquence continue " FMCW " comme capteur extéroceptif. Ce capteur est insensible aux conditions climatiques et possède une portée de détection importante. Néanmoins, c'est un capteur tournant qui, dans une utilisation mobile, va fournir des données corrompues par le déplacement du véhicule. Pour mener à bien ces travaux, nous avons proposés différentes contributions : une correction de la distorsion par l'utilisation de capteurs proprioceptifs ; le développement d'une technique de localisation et cartographie simultanées nommée RS-SLAM-FMT qui effectue un scan matching sur les observations et utilise un algorithme estimatif de type EKF-SLAM ; l'utilisation, pour la première fois en SLAM, de la mise en correspondance par Transformée de Fourier-Mellin pour réaliser l'opération de scan matching ; la création d'un outil expérimental pour déterminer la matrice de covariance associée aux observations ; des tests de robustesse de l'algorithme dans des conditions d'utilisation réelles : dans des zones avec un faible nombre de points d'intérêts, sur des parcours effectués à vitesse élevée, dans des environnements péri-urbains avec une forte densité d'objets mobiles ; la réalisation d'une application temps réel pour le test du procédé sur un véhicule d'exploration qui se déplace dans un environnement extérieur vaste.

Ce travail de thèse est consacré à la problématique de l'extraction de signaux dans le domaine des sciences de l'atmosphère. Le point commun des problèmes considérés est la notion de détection et d'estimation de signaux cachés. L'approche par la modélisation probabiliste s'est avérée y être bien adaptée. Nous nous sommes attachés à répondre à différentes questions telles que : quel type d'information s'attend-on à trouver dans un jeu de données ? Le signal supposé caché se trouve-t-il réellement dans les données d'étude ? Comment détecter l'instant d'occurrence d'un phénomène, comment le caractériser (timing, amplitude ...) ? Si un tel signal est détecté, quelle (in)certitude est associée à cette détection ? Nous répondons à ces différentes questions au travers du développement de différents modèles probabilistes de détection d'évènements cachés. Nous nous sommes intéressés à différents modèles non stationnaires, dont deux sont notamment présentés dans un cadre multivarié. Au travers de trois modèles probabilistes décrivant des signaux cachés divers (rupture de variance, signaux éruptifs et changement de moyenne), nous avons aussi développé des méthodes associées de détection. Le premier modèle est appliqué à la détection de nuages stratosphériques polaires dans des profils lidar, le deuxième à des éruptions volcaniques dans des séries chronologiques de sulfate et enfin le troisième est appliqué à la détection de la date de l'onset de la mousson Africaine dans des données géophysiques liées à la dynamique atmosphérique et aux précipitations. Les différentes méthodes mises en place font appel à une variété de techniques de modélisation probabiliste allant de la maximisation de rapport de vraisemblance associée à des tests d'hypothèses à la résolution de filtres de Kalman dans un cadre non stationnaire et non linéaire pour la décomposition de séries multivariées couplée à la détection des signaux cachés. Les difficultés techniques liées à l'extraction de signaux cachés sont analysées et les performances des différents algorithmes sont évaluées. Les résultats obtenus confirment l'intérêt des méthodes probabilistes appliquées à ces problématiques de signaux cachés en sciences de l'atmosphère.

L'interaction entre la biologie et l électronique est une discipline en pleine essort. De nombreux systèmes électroniques tentent de s interconnecter avec des tissus ou des cellules vivantes afin de décoder l information biologique. Le Potentiel d action (PA) est au cœur de codage biologique et par conséquent il est nécessaire de pouvoir les repérer sur tout type de signal bio-logique. Par conséquent, nous étudions dans ce manuscrit la possibilité de concevoir un circuit électronique couplé à un système de microélectrodes capable d'effectuer une acquisition, une détection des PAs et un enregistrement des signaux biologiques. Que ce soit en milieu bruité ou non, nous considérons le taux de détection de PA et la contrainte de temps réel comme des notions primordiales et la consommation en silicium comme un prix à payer. Initialement développés pour l étude de signaux neuronaux et pancréatiques, ces systèmes conviennent parfaitement pour d autres type de cellules.

Dans ce mémoire, nous présentons une méthode de suivi de fond pour petits véhicules autonomes sous-marins sous-actionnés de type « torpille civile ». Nous établissons les deux principales limitations qui contraignent leurs déplacements : le rayon de courbure minimal et la pente maximale de leur trajectoire. Nous proposons ensuite une méthode globale de suivi de fond prenant en compte ces contraintes. La génération des trajectoires suppose la connaissance de la position du véhicule dans un environnement bathymétrique connu a priori. Cette dernière condition n'étant pas toujours vérifiée, nous adaptons la méthode globale au cas, local, où le véhicule navigue dans un environnement inconnu dont il découvre progressivement les caractéristiques physiques. La méthode employée alors exploite les données bathymétriques acquises par deux sondeurs mono-faisceaux disposés dans le nez du véhicule. Le choix de ce type de capteurs est justifié et les modèles des faisceaux acoustiques sont étudiés. L'adjonction d'un troisième sondeur à l'avant du véhicule permet de tenir compte également de l'éventualité de se trouver face à un aplomb, c'est-à-dire une falaise sous-marine. Un algorithme basé sur un découpage du faisceau en trois zones de perception permet de classer les échos reçus et d'adapter le comportement du véhicule en conséquence. On détermine ainsi la taille de l'obstacle et la manière de l'éviter afin de garantir la sécurité du véhicule tout en tâchant de suivre le fond au plus près. Les résultats des simulations du comportement hydrodynamique du véhicule Taipan ainsi que des essais en milieu naturel sont présentés.

Le Dispositif d'Irradiation d'Agrégats Moléculaires (DIAM) est conçu pour l'étude de mécanismes de dissociation résultant de l'interaction de nanosystèmes moléculaires avec des protons de 20-150 keV. Une technique originale de spectrométrie de masse appelée COINTOF (Correlated Ion and Neutral Time Of Flight) permet la mesure corrélée du temps de vol des fragments neutres et chargés issus de la dissociation d'un système moléculaire sélectionné en masse. Une stratégie de traitement des signaux a été développée afin de pouvoir distinguer des fragments proches en temps (< 1ns). Les données collectées sont structurées dans le logiciel ROOT® pour l'analyse statistique des corrélations. Le fonctionnement de la technique COINTOF est illustré par des expériences de dissociation induite par collision d'agrégats d'eau protonés sur une cible gazeuse. La méthodologie d'analyse des données est exposée à travers l'étude du canal de dissociation du trimère d'eau protoné produisant l'ion chargé H3O+ et deux molécules d'eau. La distribution de la différence de temps de vol entre les deux fragments neutres est mesurée, mettant en évidence une énergie libérée de quelques eV. En parallèle, un second spectromètre de masse à temps de vol adapté à l'évolution du dispositif a été développé. Il associe un temps de vol linéaire et un temps de vol orthogonal et intègre un détecteur à position (ligne à retard). Des simulations ont démontré les potentialités du nouvel analyseur. Enfin, des travaux ont été menés au laboratoire R.-J. A. Lévesque (Université de Montréal) portant sur les capacités d'imagerie de détecteurs à position multi-pixel de la collaboration MPX-ATLAS.

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Les transmissions numériques par satellite sont largement utilisées dans plusieurs domaines allant des applications commerciales en orbites terrestres aux missions d'exploration scientifiques en espace lointain (Deep Space). Ces systèmes de transmission fonctionnent sur des très grandes distances et ils disposent des ressources énergétiques très limitées. Cela se traduit par un très faible rapport signal à bruit au niveau de la station de réception terrestre. Une possibilité d'établir une liaison fiable dans ces conditions très défavorables, réside dans l'utilisation de codes correcteurs d'erreurs puissants tels que les Turbo codes et le LDPC. Cependant, les gains de codage sont conditionnés par le bon fonctionnement des étages de la démodulation cohérente en amont, notamment l'étage de synchronisation. L'opération de synchronisation consiste à estimer et compenser le décalage en phase et en fréquence entre le signal reçu et l'oscillateur local du récepteur. Ces décalages sont généralement provoqués par des imperfections matérielles et le phénomène d'effet Doppler. A très faible rapport signal à bruit, les systèmes de synchronisation actuels se trouvent limités et incapables d'assurer les performances requises. Notre objectif est de fiabiliser l'étage de synchronisation du récepteur dans des conditions très difficiles de faible rapport signal sur bruit, d'effet Doppler conséquent avec prise en compte d'un phénomène d'accélération (Doppler rate) et d'une transmission sans pilote. Cette thèse CIFRE traite du problème de la synchronisation porteuse pour la voie descendante d'une transmission Deep Space. Après la réalisation d'une étude de l'état de l'art des techniques de synchronisation, nous avons retenu les boucles à verrouillage de phase (PLL: Phase Locked Loop). Dans un contexte industriel, les PLL offrent le meilleur compromis entre complexité d'implémentation et performances. Plusieurs détecteurs de phase basés le critère du maximum de vraisemblance ont été considérés et modélisés par leurs courbes caractéristiques. En se basant sur les modèles équivalents, nous avons développé une nouvelle étude de la phase d'acquisition non-linéaire d'une PLL du deuxième ordre avec un détecteur de phase semi-sinusoïdal. La deuxième partie de la thèse a été consacrée à l'étude des techniques de combinaison d'antennes. Ces méthodes visent à exploiter la diversité spatiale et améliorer le bilan de liaison de la chaîne de transmission tout en offrant une flexibilité de conception ainsi qu'une réduction considérable du coût d'installation. A l'issue de cette partie, nous avons proposé un nouveau schéma de combinaison d'antenne qui améliore le seuil de fonctionnement des systèmes existants. / In deep space communication systems, the long distance between the spacecraft and the ground station along with the limited capacity of the on-board power generator result a very low signal to noise ratio (SNR). However, such transmission still possible by using near Shannon limit error correction codes (Turbo code and LDPC code). Nevertheless, to take advantage of this coding gain, the coherent demodulation is mandatory, and the carrier phase synchronization must be reliable at more restrictive SNR. At very low SNR, current synchronization systems are limited and unable to provide the required performances. Our goal is to improve the reliability of the receiver synchronization stage under very difficult conditions of a very low SNR, a variable Doppler effect (Doppler rate) and a blind transmission. This thesis deals with the problem of carrier phase synchronization for the downlink of a Deep Space transmission. After the study of the existing solutions, we selected the phase locked loop (Phase Locked Loop: PLL). In an industrial context, PLL offers the best trade-off between complexity and performance. Several phase detectors based on the maximum likelihood criterion were considered and characterized by their S-curves. Based on the equivalent models, we have developed a new study of the non-linear acquisition phase of a second-order PLL with a semi-sinusoidal phase error detector. The second part of the thesis was dedicated to the antennas combining techniques. These methods aim to improve the link budget of the transmission and offer more flexibility. At the end of this part, we proposed a new antennas combining scheme that improves the operating threshold of existing systems.

Cette thèse propose trois méthodes de traitement du signal orientées vers la surveillance d’état et le diagnostic. Les techniques proposées sont surtout adaptées pour la surveillance d’état, effectuée à la base de vibrations, des machines tournantes qui fonctionnent dans des conditions d’opération non-stationnaires comme par exemple les éoliennes mais elles ne sont pas limitées à un tel usage. Toutes les méthodes proposées sont des algorithmes automatiques et gérés par les données.La première technique proposée permet de sélectionner la partie la plus stationnaire d’un signal en cadrant la représentation temps-fréquence d’un signal.La deuxième méthode est un algorithme pour l’association des dispositions spectrales, des séries harmoniques et des séries à bandes latérales avec des fréquences caractéristiques provennant du cinématique d'un système analysé. Cette méthode propose une approche unique dédiée à l’élément roulant du roulement qui permet de surmonter les difficultés causées par le phénomène de glissement.La troisième technique est un algorithme de démodulation de bande latérale entière. Elle fonctionne à la base d’un filtre multiple et propose des indicateurs de santé pour faciliter une évaluation d'état du système sous l’analyse.Dans cette thèse, les méthodes proposées sont validées sur les signaux simulés et réels. Les résultats présentés montrent une bonne performance de toutes les méthodes. / This thesis proposes a three signal-processing methods oriented towards the condition monitoring and diagnosis. In particular the proposed techniques are suited for vibration-based condition monitoring of rotating machinery which works under highly non-stationary operational condition as wind turbines, but it is not limited to such a usage. All the proposed methods are automatic and data-driven algorithms.The first proposed technique enables a selection of the most stationary part of signal by cropping time-frequency representation of the signal.The second method is an algorithm for association of spectral patterns, harmonics and sidebands series, with characteristic frequencies arising from kinematic of a system under inspection. This method features in a unique approach dedicated for rolling-element bearing which enables to overcome difficulties caused by a slippage phenomenon.The third technique is an all-sideband demodulation algorithm. It features in a multi-rate filter and proposes health indicators to facilitate an evaluation of the condition of the investigated system.In this thesis the proposed methods are validated on both, simulated and real-world signals. The presented results show good performance of all the methods.

La caractérisation de la proche surface est un enjeu majeur pour l'industrie pétrolière. Lors des acquisitions terrestres et Ocean Bottom Cable (OBC), les couches superficielles généralement altérées ou peu consolidées, présentent des structures géologiques complexes et ont éventuellement des variations topographiques importantes. Les ondes de surface, énergétiques, se propagent dans ce milieu complexe et dominent les sismogrammes, ce qui masque le signal utile pour le traitement sismique classique et rend difficile l'imagerie à la profondeur du réservoir.Il est donc important de pouvoir atténuer ces ondes, éventuellement d'appliquer des corrections statiques et/ou d'amplitude. Ceci qui nécessite une connaissance précise du modèle de vitesse de la proche surface. L'étude de la dispersion des ondes de surface est couramment utilisée en sismologie globale et à l'échelle géotechnique pour évaluer les propriétés des milieux terrestres. Il existe néanmoins des limitations: la mesure de cette dispersion est souvent difficile et les profils de vitesses obtenus sont 1D. A l'échelle pétrolière, l'hypothèse 1D n'est pas toujours adaptée, ce qui motive l'utilisation d'une méthode alternative d'imagerie plus haute résolution, la méthode d'inversion de la forme d'onde (FWI). Cependant, le modèle de vitesse initial doit être assez précis pour éviter le "cycle-skipping" et permettre la convergence vers la solution optimale.Cette étude explore différentes alternatives de fonctions coûts pour résoudre le "cycle-skipping" et diminuer la dépendance de l'inversion à la qualité du modèle initial. En exprimant les fonctions coûts dans le domaine f-k (fréquence-nombre d'onde) et le domaine f-p (fréquence-lenteur), la FWI est plus robuste. A l'aide d'exemples synthétiques, nous démontrons l'efficacité de ces nouvelles approches qui permettent bien de retrouver les variations latérales de vitesses d'onde S.Dans une seconde partie, nous développons une inversion FWI en "layer stripping", adaptée spécifiquement à la physique des ondes de surface. Comme la profondeur de pénétration de ces ondes dépend de leur longueur d'onde, et donc, de leur contenu fréquentiel, nous proposons d'inverser séquentiellement des plus hautes aux plus basses fréquences de ces ondes pour contraindre successivement les couches superficielles jusqu'aux plus profondes. Un fenêtrage selon la distance source-station est également appliqué. Dans un premier temps seules les courtes distances sont inversées, au fur à mesure les données associées à des plus grandes distances sont rajoutées, plus fortement impactées par le "cycle-skipping". Nous démontrons à l'aide d'exemples synthétiques l'avantage de cette méthode par rapport aux méthodes multi-échelles conventionnelles inversant des basses vers les hautes fréquences.Enfin, l'inversion des ondes de surface pour la caractérisation de la proche surface est confrontée à un cas réel. Nous discutons la construction et la pertinence du modèle initial et les difficultés rencontrées lors de l'inversion. / The characterization of the near surface is an important topic for the oil and gas industry. For land and Ocean Bottom Cable (OBC) acquisitions, weathered or unconsolidated top layers, prominent topography and complex shallow structures may make imaging at target depth very difficult. Energetic and complex surface waves often dominate such recordings, masking the signal and challenging conventional seismic processing. Static corrections and the painstaking removal of surface waves are required to obtain viable exploration information.Yet surface waves, which sample the near surface region, are considered as signal on both the engineering and geotechnical scale as well as the global seismology scale. Their dispersive property is conventionally used in surface wave analysis techniques to obtain local shear velocity depth profiles. But limitations such as the picking of dispersion curves and poor lateral resolution have lead to the proposal of Full Waveform Inversion (FWI) as an alternative high resolution technique. FWI can theoretically be used to explain the complete waveforms recoded in seismograms, but FWI with surface waves has its own set of challenges. A sufficiently accurate initial velocity model is required or otherwise cycle-skipping problems will prevent the inversion to converge.This study investigates alternative misfit functions that can overcome cycle-skipping and decrease the dependence on the initial model required. Computing the data-fitting in different domains such as the frequency-wavenumber (f-k) and frequency-slowness (f-p) domains is proposed for robust FWI, and successful results are achieved with a synthetic dataset, in retrieving lateral shear velocity variations.In the second part of this study a FWI layer stripping strategy, specifically adapted to the physics of surface waves is proposed. The penetration of surface waves is dependent on their wavelength, and therefore on their frequency. High-to-low frequency data is therefore sequentially inverted to update top-to-bottom layer depths of the shear velocity model. In addition, near-to-far offsets are considered to avoid cycle-skipping issues. Results with a synthetic dataset show that this strategy is more successful than conventional multiscale FWI in using surface waves to update the shear velocity model.Finally inversion of surface waves for near surface characterization is attempted on a real dataset at the oil and gas exploration scale. The construction of initial models and the difficulties encountered during FWI with real data are discussed.