Le domaine des télécommunications ferroviaires est en perpétuelle évolution, ses axes d’investigation sont principalement motivés par un besoin toujours grandissant en termes de débit de données, qualité de transmission et fiabilité de localisation, mais restent freinés par un environnement fréquentiel de plus en plus encombré. Dans ce contexte, la conception d’un système qui assure à la fois, les besoins de localisation, d’identification des obstacles, et de communication, semble primordiale. Aussi, la technologie ultra large bande s’avère très prometteuse comme technologie de base pour ce système. Dans ce travail de thèse, un système radar coopératif pour la localisation, la détection d’obstacles, l’identification d’obstacles et la communication basé sur la technologie ULB, est proposé. Dans ce cadre, différentes techniques de multiplexage basées sur le principe de plusieurs techniques de modulation et d’accès multiple telles que la PPM, l’OAM, la 2πM, et la DS-CDMA ont été développées. Ces techniques ont pour buts, de séparer les signaux de communication et les signaux de localisation, ainsi que d’augmenter le débit des transmissions de données en augmentant le nombre des paramètres véhiculant l’information à envoyer. Des études théoriques alliées à des simulations ont été réalisées, afin de les comparer en termes de taux d’erreur binaire et de débit. Les résultats théoriques et de simulations du système proposé ont été validés par des expérimentations menées dans un environnement réel. / Telecommunication in railway land is in perpetual evolution, its investigation axes are mainly motivated by a growing need in term of data rates, quality of transmission, accuracy and reliability of the localization, but it remains slowed by a frequentiel environment, which is increasingly crowded. In this context, the design of a system that ensure in same time, localization, obstacles recognition and communication, seems a very critical. In this thesis, to design such a sensor, we propose the use of so-called spectral diversity techniques also found under the name of Ultra Wideband radio (UWB). To separate localization signal and communication signal and to increase communication data rate, several multiplexing techniques based on the principle of multiple modulation techniques and multiple access such as PPM, the OAM, the 2πM, and DS-CDMA have been developed. Theoretical studies combined with simulations were performed to evaluate and compare these techniques in term of binary error rate and data rate communication. Theoretical results and simulations of the proposed system have been validated by experiments conducted in a real environment.

Ce manuscrit présente la conception d'un sondeur de canal de propagation en intérieur de bâtiment en contexte Ultra Large Bande ULB. Le sondeur est basé sur une architecture parallèle en réception composée de circuits cinq ports et d'un réseau d'antennes imprimées LTSA (Linear Tapered Slot Antenna). Le sondeur a été réalisé et testé dans la bande de fréquence ULB (6 to 8.5 GHz) alloué par l'ETSI . Les mesures réalisées ont permis d'étudier les directions d'arrivée (DOA) ainsi que le temps d'arrivée des ondes correspondantes aux multi trajets à l'intérieur d'un bâtiment. L'association de la technique cinq-port et de la méthode d'estimation MUSIC (Multiple Signal Classification) permet d'avoir un sondeur à faible coût de réalisation et à haute précision d'estimation. Plusieurs scénarios de propagation sont traités dans le manuscrit que se soit en condition de visibilité (LOS) ou de non visibilité (NLOS)

Les réseaux à l'origine métropolitains, ont connu une tendance à rétrécir pour aujourd'hui se concentrer autour de l'être humain. Avec des équipements de plus en plus miniatures et les utilisateurs désireux de disposer en permanence des services qui leur sont accessibles à domicile, le réseau est envisagé plus petit, plus proche du corps. On assiste alors à l'émergence du réseau corporel, le Body Area Network (BAN), qui est constitué d'éléments situés sur le corps, à l'intérieur ou encore à une courte distance. Ce réseau à portée du corps génère de nouvelles problématiques, notamment celles de la puissance rayonnée par les équipements, leur taille, leur poids...Les applications et usages envisagés pour un tel réseau sont variés et couvrent plusieurs domaines d'activités, en l'occurrence le secteur du médical, du sport, et le multimédia. Ce réseau doit donc reposer sur une couche physique qui s'adapte aux contraintes de ces diverses applications, tout en favorisant des équipements de faible taille, faible complexité et de forte autonomie. La technologie Ultra Large Bande impulsionnelle (UWB-IR) est porteuse de nombreuses promesses pour satisfaire en partie les besoins des réseaux BAN, car autorisant des débits aussi bien réduits qu'élevés, et les architectures d'émission et réception utilisables pour cette technologie rendent possibles des équipements à faible complexité et faible coût, et dont la consommation énergétique est réduite.Ce travail de thèse a débuté alors qu'un processus de normalisation sur les BAN était en cours. L'objectif des travaux menés était de pouvoir contribuer en partie à ce processus de normalisation par la proposition d'une couche physique basée sur la radio impulsionnelle UWB (UWB-IR). Ainsi notre étude a porté sur le paramétrage de cette couche physique à partir de l'analyse des contraintes et requis techniques d'un réseau BAN. Les performances de cette couche physique ont ensuite été évaluées dans un contexte de canal UWB BAN et suivant le type d'architecture en réception, en particulier pour le récepteur non-cohérent. Enfin, une attention a été apportée sur la robustesse de la liaison en présence d'interférences bande étroite. Dans l'ensemble, ce travail a permis d'étudier et d'évaluer la pertinence d'une couche physique UWB-IR dans le contexte du réseau BAN

In modern telecommunication there is the demand of high data rates using wideband component design. FCC has introduced the UWB spectrum for high speed data communication. UWB systems have attracted the attention of researchers.  Six-port transmitters and receivers are strong candidates for UWB systems and research is being done on six-port modulators and demodulators. In this work an effort is made to compare the performance of conventional single-ended six-port transmitter and receiver with differential six-port transmitters and receivers.    In this thesis, single ended and differential six-port correlators are designed on 7.5 GHz using Agilent Inc. EDA tool ADS and their performance is evaluated. A new wide-band differential six-port correlator is implemented using rat-race couplers and double-sided parallel strip-line phase inverter. The designed six-port correlators are used for 8-PSK modulation and demodulation. For transmitter-receiver system, mixed analog-DSP designing is used. The integral components of the system are evaluated individually and behavioral modeling is used to evaluate the complete transmitter-receiver system. The single-ended and differential systems are evaluated for noise-figure, dynamic range, bit error rate and data rate.

In recent years, many researchers have investigated automated progress tracking for construction projects. These efforts range from 2D photo-feature extraction to 3D laser scanners and radio frequency identification (RFID) tags. A multi-sensor data fusion model that utilizes multiple sources of information would provide a better alternative than a single-source model for tracking project progress. However, many existing fusion models are based on data fusion at the sensor and object levels and are therefore incapable of capturing critical information regarding a number of activities and processes on a construction site, particularly those related to non-structural trades such as welding, inspection, and installation activities. In this research, a workflow based data fusion framework is developed for construction progress, quality and productivity assessment. The developed model is based on tracking construction activities as well as objects, in contrast to the existing sensor-based models that are focussed on tracking objects. Data sources include high frequency automated technologies including 3D imaging and ultra-wide band (UWB) positioning. Foreman reports, schedule information, and other data sources are included as well. Data fusion and management process workflow implementation via a distributed computing network and archiving using a cloud-based architecture are both illustrated. Validation was achieved using a detailed laboratory experimental program as well as an extensive field implementation project. The field implementation was conducted using five months of data acquired on the University of Waterloo Engineering VI construction project, yielding promising results. The data fusion processes of this research provide more accurate and more reliable progress and earned value estimates for construction project activities, while the developed data management processes enable the secure sharing and management of construction research data with the construction industry stakeholders as well as with researchers from other institutions.

This dissertation focuses on wideband circuit design and implementation issues up to 10GHz based on the direct conversion architecture in the CMOS and SiGe BiCMOS technologies. The dissertation consists of two parts: One, implementation of a RF front-end receiver for an ultra-wideband system and, two, implementation of a local oscillation (LO) signal for a GSM/WCDMA multiband application. For emerging ultra-wideband (UWB) applications, the key active components in the RF front-end receiver were designed and implemented in 0.18um SiGe BiCMOS process. The design of LNA, which is the critical circuit block for both systems, was analyzed in terms of noise, linearity and group delay variation over an extemely wide bandwidth. Measurements are demonstrated for an energy-thrifty UWB receiver based on an MB-OFDM system covering the full FCC-allowed UWB frequency range. For multiband applications such as a GSM/WCDMA dual-band application, the design of wideband VCO and various frequency generation blocks are investigated as alternatives for implementation of direct conversion architecture. In order to reduce DC-offset and LO pulling phenomena that degrade performance in a typical direct conversion scheme, an innovative fractional LO signal generator was implemented in a standard CMOS process. A simple analysis is provided for the loop dynamics and operating range of the design as well as for the measured results of the factional LO signal generator.

The feasibility of Ultra Wide Band (UWB) through the wall surveillance system is studied in this thesis. The transmitter and receiver architectures are discussed and an experimental set-up is constructed to verify the theory of UWB sensing. The constructed system has 80 mW peak, 6 uW average transmit power and 500 kHz PRF and a range resolution better than 1 cm. Using the experimental set-up, two problems are examined. The first problem is the respiration rate detection problem. It has been shown that the respiration rate can be accurately estimated and the signs of vital activity can be determined behind the wall. The second problem studied in this thesis is the through the wall imaging problem. The imaging system is based on the construction of a synthetic aperture by sliding the transmit-receive antenna pair along the cross range direction. The cross range resolution is improved by applying a migration algorithm to the collected data. It has been shown that imaging of a scene 8 meters in range, behind a wall of 20 cm thickness is possible with the available power.

This dissertation presents system and circuit development of the low-power multi-gigabit CMOS demodulator using analog and mixed demodulation techniques. In addition, critical building blocks of the low-power analog quadrature front-ends are designed and implemented using 90 nm CMOS with a targeted compatibility to the traditional demodulator architecture. It exhibits an IF-to-baseband conversion gain of 25 dB with 1.8 GHz of baseband bandwidth and a dynamic range of 23 dB while consuming only 46 mW from a 1 V supply voltage. Several different demodulators using analog signal processor (ASP) are implemented: (1) an ultra-low power non-coherent ASK demodulator is measured to demodulate a maximum speed of 3 Gbps while consuming 32 mW from 1.8 V supply; (2) a mere addition of 7.5 mW to the aforementioned analog quadrature front-end enables a maximum speed of 2.5 Gbps non-coherent ASK demodulation with an improved minimum sensitivity of -38 dBm; (3) a robust coherent BPSK demodulator is shown to achieve a maximum speed of 3.5 Gbps based on the same analog quadrature front-end with only additional 7 mW. Furthermore, an innovative seamless handover mechanism between ASP and PLL is designed and implemented to improve the frequency acquisition time of the coherent BPSK demodulator. These demodulator designs have been proven to be feasible and are integrated in a 60 GHz wireless receiver. The system has been realized in a product prototype and used to stream HD video as well as transfer large multi-media files at multi-gigabit speed.

Cette thèse s'inscrit dans le projet de communication à proximité aux départements Electronique et Physique et Communications, Images et Traitement de l'Information de l'Institut Télécom Sud Paris. Le projet comporte la mise au point d'un récepteur basé sur une méthode de détection pseudo-cohérente des signaux Ultra Large Bande à double impulsion (TR-UWB), méthode désignée par Time Delayed Sampling and Correlation (TDSC). La première partie de ce document comporte la réalisation d'une plate-forme modulaire de communication UWB basée sur le système de détection TDSC. Cette plate-forme comporte une puce CMOS 0.35μm conçue précédemment au laboratoire EPH. Elle offre la possibilité d'enregistrer des signaux TR-UWB réels et de réaliser des tests de fonctionnement. La deuxième partie est une étude approfondie du récepteur utilisant la méthode TDSC. La détection des signaux UWB et la procédure de synchronisation sont évalués en utilisant les signaux réels acquis à partir de la plate-forme. Un ensemble de tests ont été menés avec des signaux en bande de base et des signaux transposés en fréquence, dans les deux cas en transmission sur câble puis par radio. Les résultats ont permis de valider la détection et le principe de la synchronisation. La troisième partie est une proposition d'estimation de la distance entre deux dispositifs d'un réseau radio UWB utilisant un récepteur TDSC, pour une localisation en intérieur. L'étude fait la synthèse de plusieurs propositions et expérimentations et conduit à la définition des meilleurs critères pour une mesure du temps d'arrivée (TOA) et son implémentation pratique sur un récepteur TDSC

Le développement de l'électronique embarquée et miniaturisée est pleinement d'actualité de nos jours, dans les domaines tels que l'armement, la médecine, et les télécommunications. La miniaturisation des antennes large-bande, opérationnelles sur plus d'une décade, présentent un défi particulier. Ces travaux de thèse proposent de travailler sur la miniaturisation d'une antenne spirale, afin d'en réduire l'encombrement, à savoir son diamètre, tout en conservant au mieux ses caractéristiques de rayonnement et polarisation intrinsèques. Cette recherche sera appliquée à la bande des Très hautes Fréquence (Very High Frequencies - VHF), allant de 30MHz (λ = 10m) à 300MHz (λ = 1m). La géométrie inédite proposée consiste à associer à une antenne spirale un ensemble d'anneaux résonnants, dont le diamètre n'excède pas celui de la spirale, et permettant de diminuer la fréquence basse de fonctionnement. Pour un ensemble de cinq anneaux associé à la spirale, la réduction de la fréquence basse de fonctionnement est de plus de 30%. Pour deux antennes spirales de même fréquence basse de fonctionnement, l'antenne miniaturisée a donc un diamètre réduit de 30%, soit une surface réduite de 50%. Les performances de l'état de l'art d'après lesquelles les réductions sur le diamètre des antennes spirales n'excèdent pas 15% sont donc dépassées. De plus, d'après cet état de l'art, les méthodes de réduction appliquées aux antennes large bande dégradent en général le gain et l'axial ratio dans les bandes basses de fréquences de fonctionnement. La méthode proposée permet de conserver l'efficacité de l'antenne, voire de l'augmenter, dans les fréquences proches de la fréquence basse de fonctionnement. Le rayonnement de l'antenne spirale miniaturisée dans la bande passante de l'antenne sans anneaux n'est pour autant pas modifiée. Ces résultats très encourageant ont été confirmés par la mesure d'antennes spirales miniaturisées, réalisées pour un diamètre de 8cm et de 1m : une réduction de 30% du diamètre sans dégradation du rayonnement a été observée. Les mesures ont par ailleurs donné lieu à l'étude de la réalisation d'une antenne en bande VHF, avec pour implication les problématiques de réalisation (masse, encombrement, résistance mécanique) et de mesure (isolation, effets parasites en VHF avec une longueur d'onde de 4m).