Titre de l'écran-titre (visionné le 26 juin 2023) / L'étude du cerveau est cruciale à la compréhension de son fonctionnement et pour l'avancement en médecine. Il existe une multitude de techniques pour visualiser ou mesurer l'activité du cerveau afin d'étudier ses mécanismes. Pour étudier une population spécifique de neurones, la photométrie par fibre optique est souvent préférée puisqu'elle permet de mesurer l'activité de seulement un groupe de neurones spécifiquement marqué par des indicateurs calciques au choix. La photométrie par fibre optique est une technique d'imagerie souvent utilisée chez les rongeurs (habituellement des souris) pour mesurer l'activité neuronale d'un groupe spécifique de neurones lors d'expérimentations in vivo en attachant une fibre optique directement à la région du cerveau à l'étude. Le désavantage de la photométrie par fibre optique conventionnelle est que la fibre optique qui est branchée directement à la tête de la souris doit être acheminée à l'extérieur de l'environnement de test, ce qui limite les déplacements de la souris et lui cause un certain stress. Ce travail propose une preuve de concept d'un système de photométrie par fibre optique sans fil ayant des performances à la hauteur des systèmes commerciaux existants avec fibre reliée à l'extérieur de l'environnement de test. Le design de cette preuve de concept repose sur la conception de circuits analogiques ainsi que le développement d'algorithmes de traitement de signal. Le système conçu dans ce travail offre une lecture de signal avec une référence au point isosbestique avec une puissance équivalent de bruit de 5.39fW/√ Hz, un niveau de bruit équivalent, ou même plus bas que les systèmes commerciaux disponibles. Ce système est sans fil, rechargeable et peut prendre des mesures pendant une durée de 210 minutes (3 heures et 30 minutes). Il contient aussi un lock-in amplifier numérique permettant de réduire le poids et la dimension du système tout en augmentant de 30dB le SNR du signal de photométrie. Les éléments du système de photométrie de ce travail ont été testés sur des souris in vivo lors d'une expérimentation sur l'activité neuronale de l'hypothalamus latéral (LHA) en réponse à un stimulus aversif. / The study of the brain is crucial to its understanding and the pursuit of medical research. There exists a multitude of techniques used to visualize or measure brain activity in order to study its working mechanisms. To study a specific group of neurons, the preferred method is fiber photometry because it allows to monitor a specific group of neurons that have been marked by a chosen calcium indicator. Fiber photometry is an imaging technique often used on rodents (usually mice) to monitor neural activity in a specific type of neuron while performing in vivo experimentation by directly implanting a probing optical fiber to the brain region under study. The drawback of conventional fiber photometry is that the optical fiber implanted in the subject's head needs to be connected outside the test environment, which limits its movements and creates unnecessary stress on the mouse. This work proposes a proof of concept of a wireless fiber photometry system with performance worthy of current existing cabled commercial systems. The design of this proof of concept rests on the conception of analog circuits and the development of signal processing algorithms. The system designed in this work offers a reading with an isosbestic point reference with a noise equivalent power of 5.39fW/√ Hz, a noise level equivalent, or even lower than available commercial products. This system is wireless, rechargeable and can make measurements for a period of 210 minutes (3 hours and 30 minutes). It also contains a digital lock-in amplifier, allowing to reduce the size and weight of the system while still gaining a 30dB increase in SNR in the photometry reading. The various elements of this system have been tested in live mice during in vivo testing of the neural activity of the lateral hypothalamus (LHA) in response to an aversive stimulus.

Il y a un besoin de mesures de vibration, tel que dans l'automobile pour le contrôle actif du bruit acoustique. Les microsystèmes électromécaniques (MEMS) et les technologies sans fils sont des technologies de plus en plus répandues pour l'implémentation de capteurs. Ce projet vise donc le développement de capteurs de déformation en utilisant une solution sans fil pour l'acquisition des mesures de la vibration, avec les technologies MEMS. Ce projet de recherche utilise la technologie des systèmes RFID passifs pour la communication, intégrée avec un transducteur de déformation MEMS pour la mesure. Le capteur consiste en une antenne reliée à un transducteur MEMS capacitif par l'entremise d'une ligne de transmission avec des discontinuités. Les déformations de la structure sur laquelle le capteur est fixé sont traduites en changement de capacité du transducteur, ce qui engendre un retard dans le signal réfléchi par l'antenne. Une étude de l'état de l'art des principes de communication et de transduction a permis de comparer les avantages et inconvénients des approches. Une modélisation analytique faite sur différents types de transduction a conduit à une combinaison optimale faisant intervenir un transducteur type capacitif. Pour atteindre une taille du capteur de l'ordre du centimètre, le système travaille à une fréquence micro-onde fixée à 24,125 GHz. Un dispositif fût alors conçu, incluant la ligne de transmission avec des discontinuités pour l'identification du capteur ainsi que le transducteur capacitif avec peignes interdigités et ressorts en silicium. La conception d'un tel capteur permet d'aboutir à une sensibilité de 11ps/[epsilon] avec une bonne linéarité sur une plage de mesure [0..2500[micro][epsilon]]. Un procédé de microfabrication du transducteur MEMS est aussi proposé, ainsi qu'une approche pour la fabrication pour les éléments RF sur un substrat d'alumine et leur intégration.

Thèse (Ph.D.)--Université Laval, 2003. / Bibliogr.: f. 142-144. Publié aussi en version électronique.

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.

Le multiplexage généralisé par répartition en fréquence (GFDM), une méthode de traitement par blocs de modulation multiporteuses non orthogonales, est une candidate prometteuse pour les technologies de forme d'onde pour les systèmes sans fil au-delà de la cinquième génération (5G). La capacité du GFDM à ajuster de manière flexible la taille du bloc et le type de filtres de mise en forme des impulsions en fait une méthode appropriée pour répondre à plusieurs exigences importantes, comme une faible latence, un faible rayonnement hors bande (OOB) et des débits de données élevés. En appliquant aux systèmes GFDM la technique des systèmes à entrées multiples et sorties multiples (MIMO), la technique de MIMO massif ou des codes de contrôle de parité à faible densité (LDPC), il est possible d'améliorer leurs performances. Par conséquent, l'étude de ces systèmes combinés sont d'une grande importance théorique et pratique. Dans cette thèse, nous étudions les systèmes de communication sans fil basés sur le GFDM en considérant trois aspects. Tout d'abord, nous dérivons une borne d'union sur le taux d'erreur sur les bits (BER) pour les systèmes MIMO-GFDM, technique qui est basée sur des probabilités d'erreur par paires exactes (PEP). La PEP exacte est calculée en utilisant la fonction génératrice de moments(MGF) pour les détecteurs à maximum de vraisemblance (ML). La corrélation spatiale entre les antennes et les erreurs d'estimation de canal sont prises en compte dans l'environnement de canal étudié. Deuxièmement, les estimateurs et les précodeurs de canal de faible complexité basés sur une expansion polynomiale sont proposés pour les systèmes MIMO-GFDM massifs. Des pilotes sans interférence sont utilisés pour l'estimation du canal basée sur l'erreur quadratique moyenne minimale(MMSE) pour lutter contre l'influence de la non-orthogonalité entre les sous-porteuses dans le GFDM. La complexité de calcul cubique peut être réduite à une complexité d'ordre au carré en utilisant la technique d'expansion polynomiale pour approximer les inverses de matrices dans l'estimation MMSE conventionnelle et le précodage. De plus, nous calculons les limites de performance en termes d'erreur quadratique moyenne (MSE) pour les estimateurs proposés, ce qui peut être un outil utile pour prédire la performance des estimateurs dans la région de Eₛ/N₀ élevé. Une borne inférieure de Cramér-Rao(CRLB) est dérivée pour notre modèle de système et agit comme une référence pour les estimateurs. La complexité de calcul des estimateurs de canal proposés et des précodeurs et les impacts du degré du polynôme sont également étudiés. Enfin, nous analysons les performances de la probabilité d'erreur des systèmes GFDM combinés aux codes LDPC. Nous dérivons d'abord les expressions du ratio de vraisemblance logarithmique (LLR) initiale qui sont utilisées dans le décodeur de l'algorithme de somme de produits (SPA). Ensuite, basé sur le seuil de décodage, nous estimons le taux d'erreur de trame (FER) dans la région de bas E[indice b]/N₀ en utilisant le BER observé pour modéliser les variations du canal. De plus, une borne inférieure du FER du système est également proposée basée sur des ensembles absorbants. Cette borne inférieure peut agir comme une estimation du FER dans la région de E[indice b]/N₀ élevé si l'ensemble absorbant utilisé est dominant et que sa multiplicité est connue. La quantification a également un impact important sur les performances du FER et du BER. Des codes LDPC basés sur un tableau et construit aléatoirement sont utilisés pour supporter les analyses de performances. Pour ces trois aspects, des simulations et des calculs informatiques sont effectués pour obtenir des résultats numériques connexes, qui vérifient les méthodes proposées. / $8 372162\u $a Generalized frequency division multiplexing (GFDM) is a block-processing based non-orthogonal multi-carrier modulation scheme, which is a promising candidate waveform technology for beyond fifth-generation (5G) wireless systems. The ability of GFDM to flexibly adjust the block size and the type of pulse-shaping filters makes it a suitable scheme to meet several important requirements, such as low latency, low out-of-band (OOB) radiation and high data rates. Applying the multiple-input multiple-output (MIMO) technique, the massive MIMO technique, or low-density parity-check (LDPC) codes to GFDM systems can further improve the systems performance. Therefore, the investigation of such combined systems is of great theoretical and practical importance. This thesis investigates GFDM-based wireless communication systems from the following three aspects. First, we derive a union bound on the bit error rate (BER) for MIMO-GFDM systems, which is based on exact pairwise error probabilities (PEPs). The exact PEP is calculated using the moment-generating function (MGF) for maximum likelihood (ML) detectors. Both the spatial correlation between antennas and the channel estimation errors are considered in the investigated channel environment. Second, polynomial expansion-based low-complexity channel estimators and precoders are proposed for massive MIMO-GFDM systems. Interference-free pilots are used in the minimum mean square error (MMSE) channel estimation to combat the influence of non-orthogonality between subcarriers in GFDM. The cubic computational complexity can be reduced to square order by using the polynomial expansion technique to approximate the matrix inverses in the conventional MMSE estimation and precoding. In addition, we derive performance limits in terms of the mean square error (MSE) for the proposed estimators, which can be a useful tool to predict estimators performance in the high Eₛ/N₀ region. A Cramér-Rao lower bound (CRLB) is derived for our system model and acts as a benchmark for the estimators. The computational complexity of the proposed channel estimators and precoders, and the impacts of the polynomial degree are also investigated. Finally, we analyze the error probability performance of LDPC coded GFDM systems. We first derive the initial log-likelihood ratio (LLR) expressions that are used in the sum-product algorithm (SPA) decoder. Then, based on the decoding threshold, we estimate the frame error rate (FER) in the low E[subscript b]/N₀ region by using the observed BER to model the channel variations. In addition, a lower bound on the FER of the system is also proposed based on absorbing sets. This lower bound can act as an estimate of the FER in the high E[subscript b]/N₀ region if the absorbing set used is dominant and its multiplicity is known. The quantization scheme also has an important impact on the FER and BER performances. Randomly constructed and array-based LDPC codes are used to support the performance analyses. For all these three aspects, software-based simulations and calculations are carried out to obtain related numerical results, which verify our proposed methods.

Dans ce mémoire, de nouvelles approches ont été introduites pour concevoir les systèmes de communication fiables, Section 1, et sécurisées, Section 2, où les codes LDPC ont été choisis comme schéma de codage principal. Ce mémoire comprend deux sections : Section 1 : Les codes LDPC réguliers et irréguliers sont définis et différents décodeurs basés sur l’échange de message de décisions fermes et souples sont introduits. Par la suite, quelques définitions, comme le seuil des codes LDPC utilisant l’évolution de la densité de probabilité (ou la propagation de croyance), l’écart multiplicatif et les distributions de degrés de noeuds de parité et de noeuds de variable, sont énoncées. Par après, ces concepts préliminaires sont utilisés pour concevoir des ensembles de code LDPC irréguliers approchant la capacité du canal à l’aide de programmation linéaire et d’un algorithme génétique. Section 2 : Une méthode est introduite pour l’amélioration du secret dans ce genre de système. Cette méthode fonctionne sur la base de demande de retransmission de paquets d’information. Selon cette approche, lorsque le récepteur ne peut pas converger vers le bon message, une demande de retransmission est envoyée. Au lieu d’envoyer le paquet entier dans le cas d’une défaillance à la sortie du décodeur du destinataire, la retransmission des sous-paquets est explorée. Le système proposé dans cette phase est appelé protocole HARQ-Granulaire Adaptatif (AG-HARQ). Il essaie de réduire au minimum le taux requis pour un décodage réussi par les parties légitimes tout en augmentant la sécurité en minimisant les fuites d’information vers un espion éventuel. En outre, pour améliorer encore le niveau de sécurité dans la méthode AG-HARQ proposée, le schéma de contamination d’erreur intra-trame (IntraEC) et le schéma de contamination d’erreur inter-trame (InterEC) sont utilisés en conjonction avec cette méthode. Cette combinaison permet un haut niveau de sécurité dans le système de communication sans fil. / In this memoir, new approaches have been introduced for designing reliable, Section 1, and secure, Section 2, communication systems where the LDPC codes have been chosen as the principal coding scheme. This memoir comprises two sections: Section 1: Regular and irregular LDPC codes are defined and different message passing decoders based on hard and soft decisions are introduced. Afterward, some definitions like the threshold of LDPC codes using Density Evolution (or Belief Propagation), the Multiplicative Gap, and the check node and variable node degree distributions are explained in detail. Later, these preliminary concepts are used to design the channel capacity approaching Irregular LDPC codes combining Genetic Algorithm and Linear Programming. Section 2: A new scheme is introduced for secrecy enhancement for these systems. This method is based on feedback retransmission requests. With this approach, when the intended recipient cannot converge to the right message, a retransmission request is sent back to the transmitter. The retransmission of the sub-packets, instead of sending the whole packet in the case of failure at the intended recipient’s decoder output, is explored in detail. Our proposed scheme is called Adaptive Granular Hybrid Automatic Repeat reQuest (AG-HARQ) protocol, which tries to minimize the required rate for successful decoding of the legitimate parties while amplifying the privacy by minimizing the information leakage to a wiretapper. In addition, to further improve the security level of the proposed AG-HARQ method, Intra-frame error contamination (IntraEC) and Inter-frame error contamination (InterEC) schemes are used in conjunction with this method. This combination can provide a high level of security in wireless communication systems.

La surveillance respiratoire est importante pour le diagnostic et le suivi de maladies telles que l'apnée du sommeil, l'asthme et les maladies pulmonaires obstructives chroniques (MPOC). Un suivi précis des schémas respiratoires est essentiel pour prédire les crises graves, tels que les arrêts respiratoires et cardiaques, en particulier dans les milieux de soins intensifs. Malgré leur importance, les méthodes actuelles de suivi respiratoire présentent des déficiences, telles que leur poids élevé, leur inconfort et leur manque de fiabilité, ce qui entraîne une diminution de la qualité des soins aux patients et une augmentation de la charge de travail des services de santé. Pour remédier à ces limitations, cette thèse explore le potentiel de l'utilisation de capteurs à base d'antenne pour une surveillance non invasive, continue, portative et précise des signes vitaux. En effet, cette thèse présente la biodétection à base d'une antenne unique ("Single Antenna Bio-Sensing", SABioS), qui est une nouvelle approche non invasive de la mesure de l'activité respiratoire et cardiaque. Cette technologie est combinée à un nouveau capteur antenne portatif de forme sinusoïdale fabriqué à partir de matériaux flexibles, dont la sensibilité est validée à l'aide d'un système de suivi optique précis. Grâce à cette combinaison, SABioS peut acquérir les signes vitaux en détectant avec précision les changements dans la composition diélectrique du corps et les expansions thoraciques pendant la respiration. Le système fonctionne de manière indépendante, continue, et mobile, tout en détectant l'activité cardiaque avec le même capteur. Le principe de fonctionnement de cette technologie a été exhaustivement analysé, et des validations expérimentales impliquant plusieurs volontaires aux caractéristiques physiologiques variées ont démontré une forte concordance avec les dispositifs de qualité médicale, confirmant son efficacité pour le suivi à court et à long terme. Le système a été miniaturisé et implémenté dans un circuit imprimé à faible coût comme preuve de concept, avec une acquisition de données en temps réel et un traitement de signal permettant l'extraction des formes d'ondes de l'activité respiratoire et cardiaque avec un faible délai. Les résultats expérimentaux ont confirmé une forte concordance avec les appareils de qualité médicale, validant ainsi la précision ciblée. La fiabilité de l'appareil pour un suivi à long terme a été évaluée avec des périodes de test prolongées. Une validation supplémentaire est en cours de réalisation à l'unité de soins intensifs (USI) du département de pédiatrie du CHU de Québec - Université Laval, avec l'approbation du comité d'éthique. Ce travail se termine par des efforts en vue de l'intégration, y compris le développement d'un circuit miniaturisé tout compris pour un véritable fonctionnement mobile et continu, un boîtier sur mesure conçu pour une utilisation intuitive, le traitement des signaux en temps réel au niveau du firmware, et la transmission sécurisée des données via Bluetooth Low Energy. Un logiciel pour ordinateur a également été développé pour les connexions avec les téléphones intelligents ou des ordinateurs, permettant la synchronisation sans fil des données, le traitement des signaux en temps réel et l'affichage des formes d'ondes respiratoires et cardiaques avec un délai réduit. / Respiratory monitoring is crucial for diagnosing and managing diseases such as sleep apnea, asthma, and chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Accurate monitoring of respiratory patterns is essential for predicting severe events like respiratory and cardiac arrests, especially in critical care settings. Despite their importance, current respiratory monitoring methods have shortcomings, such as being cumbersome, uncomfortable, and unreliable, leading to decreased patient care quality and increased healthcare burdens. To address these limitations, this thesis explores the potential of using antenna sensors for non-invasive, continuous, mobile, and accurate vital signs monitoring. This thesis introduces Single Antenna Bio-Sensing (SABioS), a novel non-invasive approach for measuring respiratory and cardiac activity. This technology is combined with a novel wearable sinusoidal-shaped antenna sensor made of flexible materials, whose sensitivity is validated through a precise optical tracking system. With this combination, SABioS can detect vital signs by accurately detecting changes in the body's dielectric composition and chest expansions during respiration. The system operates independently and continuously in a mobile manner and is capable of detecting cardiac activity with the same single sensor. The operation theory of this technology has been thoroughly analyzed, and experimental validations involving multiple volunteers with varying anthropomorphic characteristics have demonstrated strong agreement with medical-grade devices, confirming its effectiveness for both shortand long-term monitoring. The system has been further miniaturized into a low-cost PCB as a proof of concept, with real-time data acquisition and signal processing enabling the extraction of respiratory and cardiac activity waveforms with minimal delay. Experiments confirmed a strong agreement between this implementation and medical-grade devices, validating its accuracy. The device's reliability for long-term monitoring was evaluated through extended testing periods. Further validation is currently being conducted in the Intensive Care Unit (ICU) of the Pediatrics department at the CHU de Québec - Université Laval hospital, with Ethics Review Board approval. This work concludes with efforts toward integration of SABioS, including the development of a miniaturized all-inclusive circuit for true mobile and continuous operation, a custom-designed casing for intuitive use, real-time signal processing at the firmware level, and secure data transmission via Bluetooth Low Energy. A companion software has also been developed for smartphone or PC connections, enabling wireless data synchronization, real- time signal processing, and display of respiratory and cardiac waveforms with minimal delay.

De nombreux systèmes de communication sans fil ont adopté les codes turbo et les codes convolutifs comme schéma de codes correcteurs d'erreurs vers l'avant (FEC) pour les données et les canaux généraux. Toutefois, certaines versions proposent les codes LDPC pour la correction d'erreurs en raison de la complexité de l'implémentation des décodeurs turbo et le succès de certains codes LDPC irréguliers dans la réalisation des mêmes performances que les codes turbo les dépassent dans certains cas avec une complexité de décodage plus faible. En fait, les nouvelles versions des standards de ces systèmes travaillent côte à côte dans des dispositifs réels avec les plus anciennes qui sont basées sur les codes turbo et les codes convolutifs. En effet, ces deux familles de codes offrent toutes deux d'excellentes performances en termes de taux d'erreur binaire (TEB). Par conséquent, il semble être une bonne idée d'essayer de les relier de manière à améliorer le transfert de technologie et l'hybridation entre les deux méthodes. Ainsi, la conception efficace de décodeurs universels des codes convolutifs, turbo, et LDPC est critique pour l'avenir de l'implémentation des systèmes sans fil. En outre, un décodeur efficace pour les codes turbo et codes convolutifs est obligatoire pour la mise en oeuvre de ces systèmes sans fil. Cela pourrait se faire par l'élaboration d'un algorithme de décodage unifié des codes convolutifs, turbo et LDPC par des simulations et des études analytiques suivies d'une phase de mise en oeuvre. Pour introduire ce décodeur universel, il existe deux approches, soit sur la base de l'algorithme du maximum a posteriori (MAP) ou l'algorithme de propagation de croyance (BP). D'une part, nous étudions une nouvelle approche pour décoder les codes convolutifs et les turbo codes au moyen du décodeur par propagation de croyances (BP) décodeur utilisé pour les codes de parité à faible densité (codes LDPC). En outre, nous introduisons un système de représentation général pour les codes convolutifs par des matrices de contrôle de parité. De plus, les matrices de contrôle de parité des codes turbo sont obtenus en traitant les codes turbo parallèles comme des codes convolutifs concaténés. En effet, l'algorithme BP fournit une méthodologie très efficace pour la conception générale des algorithmes de décodage itératif de faible complexité pour toutes les classes des codes convolutifs ainsi que les turbo-codes. Alors qu'une petite perte de performance est observée lors du décodage de codes turbo avec BP au lieu du MAP, cela est compensé par la complexité moindre de l'algorithme BP et les avantages inhérents à une architecture unifiée de décodage. En outre, ce travail exploite la représentation tail-biting de la matrice de contrôle de parité des codes convolutifs et des codes turbo, ce qui permet le décodage par un algorithme de propagation de croyance unifiée (BP) pour les nouveaux systèmes de communication sans fils tels que le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) et le LTE (Long Term Evolution). D'autre part, comme solution alternative, une recherche est effectuée sur la façon de produire un décodeur combiné de ces deux familles de codes basé sur l'algorithme MAP. Malheureusement, cette seconde solution nécessite beaucoup de calculs et de capacité de stockage pour sa mise en oeuvre. En outre, ses récurrences en avant et en arrière résultent en de longs délais de décodage. Entre temps, l'algorithme MAP est basé sur le treillis et la structure en treillis du code LDPC est suffisamment compliquée en raison de la matrice de contrôle de parité de grande taille. En conséquence, cette approche peut être difficile à mettre en oeuvre efficacement car elle nécessite beaucoup de calculs et une grande capacité de stockage. Enfin, pour prédire le seuil de convergence des codes turbo, nous avons appliqué la méthode de transfert d'information extrinsèque (EXIT) pour le décodeur correspondant en le traitant comme une concaténation de noeuds de variable et de contrôle.

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.

Dans le domaine du sans-fil, le nombre d'usagers augmente continuellement et la gourmandise des services, en largeur de bande, prend de plus en plus d'ampleur. De nouvelles techniques sont donc nécessaires pour réduire le plus possible l'utilisation du spectre engorgé. Une des techniques envisageables est celle proposée par M. Sébastien Roy de l'Université Laval. Elle consiste à réaliser un récepteur qui, à partir d'un réseau d'antennes, en sélectionne un sous-ensemble qui sera optimal pour un usager en particulier. Chaque usager aura donc son propre sous-ensemble optimal. Pour le déterminer, il suffit de trouver les antennes qui minimisent les interférents et augmentent le rapport signal sur bruit. Ce mémoire décrit l'implantation sur puce d'une partie de ce brevet, c'est-à-dire l'estimateur du canal à long terme. La stratégie de conception est centrée sur la réduction de l'utilisation des ressources matérielle de la puce. De plus, le design doit être totalement paramétrisable puisque plusieurs données ne sont pas encore connues.