Ce travail de recherche est basé sur la technologie Ultra Large Bande (ULB), en particulier pour des applications bas débit (standard IEEE 802.15.4) tels que les réseaux de capteurs, les transmissions WPAN ou encore WBAN. La modélisation et la conception d’un récepteur non cohérent ULB pour les communications radio impulsionnelles ont été réalisées. Un des facteurs les plus importants dans les communications ULB est la sensibilité du récepteur, qui détermine la portée de transmission maximale. Un autre facteur aussi important est la consommation d’énergie qui influence directement la durée de vie de la source d’alimentation (batterie). Dans ce contexte, nous présentons dans le chapitre I une introduction sur la technologie ULB et ses diverses applications. Le chapitre II présente la modélisation au niveau système ainsi que d’une étude comparative des récepteurs non cohérents basés sur la détection d’énergie et la pseudo-Détection d’énergie. Dans le chapitre III sont présentés la méthode de conception et de réalisation d’un récepteur non cohérent ULB dans la bande de 3-5 GHz, ainsi que les résultats de mesure et ses performances en termes de sensibilité et de consommation d’énergie. Finalement, le chapitre IV présente une étude théorique sur les différents modes de fonctionnement du transistor MOS afin de mieux comprendre le fonctionnement de chaque bloc du récepteur. Cela permet de proposer de nouvelles architectures pour la détection d’énergie. Enfin, à partir de ces études nous réalisons l’optimisation du récepteur en termes de sensibilité et de consommation d’énergie. / This research is based on Ultra Wide Band (UWB) technology, in particularly for low-Rate applications such as sensor network, WPAN and WBAN (for the standard IEEE 802.15.4). The model and design of a non coherent receiver for UWB impulse radio communications has been completed. One of the most important factors in the UWB communications is the receiver sensitivity which determines the maximum transmission range. Another important factor is the energy consumption that determines the lifetime of the power source (battery). In this context, we present in Chapter I an introduction to UWB technology and its different applications. Chapter II deals with a modeling at the system level of non-Coherent receivers as well as a comparative study based on the energy detection and pseudo energy detection. In Chapter III is presented the method of design and implementation of a non-Coherent UWB receiver in the band of 3-5 GHz, as well as measurement results and performance in terms of sensitivity and power consumption. Finally, Chapter IV presents a theoretical study on the different modes of operation of the MOS transistor to understand the operation of each block of the receiver. This allows us to show the new architectures for energy detection and perform the optimization of receiver in terms of sensitivity and power consumption.

La capacité à se localiser est d’une importance cruciale pour la navigation des robots. Cette importance a permis le développement de plusieurs techniques de localisation de grande précision. Notre contribution consiste à proposer un passage de la technique de localisation visuelle inertielle du cas individuel, au cas multi collaboratif. Ce travail a pour objectif d’aboutir à une localisation collaborative aussi rapide, robuste et précise que la technique individuelle de départ. Notre approche se base sur le filtrage en couplage serré Multi State Constraint Kalman Filter (MSCKF) pour la fusion de données. Les caractéristiques de ce filtrage sont d’abord étudiées dans le cas individuel pour tester la robustesse et la précision dans différentes conditions et avec différents modèles d’observation. Les résultats de cette étude nous ont orienté vers la structure la mieux adaptée à une augmentation au cas de localisation collaborative. L’algorithme collaboratif proposé, est basé sur un processus hiérarchique en trois étapes. Une localisation collaborative est initialisée sur la base des mesures relatives de distances Ultra Large Bande (ULB). Une localisation collaborative améliorée se base ensuite sur le chevauchement des images en utilisant un modèle de mesure adapté, et une structure de fusion de données qui absorbe l’excédent en temps de calcul provoqué par le traitement collaboratif. Enfin, pour augmenter la précision, une extraction des contraintes de structure environnement, suivie d’une intégration à l’aide d’une troncature dans le filtre sont proposées. / Localization is of crucial importance for robots navigation. This importance has allowed the emergence of several precise localization techniques. Our contribution consists of proposing a transition from an individual inertial visual localization technique to the multi-robots collaborative localization case. This work aims to achieve a collaborative localization as fast, robust and accurate as the individual starting technique. We adopt a tightly coupled MSCKF (Multi State Constraint Kalman Filter) approach to achieve the data fusion. The characteristics of this data fusion are first studied in the individual case to test the robustness and the precision under different conditions and with different observation models. The results of this study directed us towards the best structure adapted to an augmentation to the collaborative localization case. The proposed collaborative algorithm is a hierarchical process of three stages. A collaborative localization is initialized based on the relative distance measurements using Ultra-Wide Band (ULB) sensors. Then, a collaborative localization based on images overlapping using a suitable measurement model, and a data fusion structure that absorbs the computation time excess caused by the collaboration is achieved. Finally, to increase precision, an extraction of the environment constraints, followed by an integration using a truncation in the filter are proposed.

L'Ultra Large Bande est une technique de transmission radio qui consiste à utiliser des signaux dont le spectre s'étale sur une large bande de fréquences, typiquement de l'ordre de 500 MHz à plusieurs GHz. Elle fut d'abord utilisée pour des applications radars puis transposée aux applications de télécommunications, suscitant ainsi un intérêt grandissant au sein de la communauté académique et industrielle. Les principales caractéristiques de cette technologie lui confèrent le statut d'un candidat prometteur pour les systèmes de communications radio haut-débit à courte portée. Cette thèse poursuit un objectif double. Le premier consiste à améliorer l'analyse de performances des antennes ULB et à en proposer de nouvelles structures soit pour la mesure de canal, soit pour les communications. Dans cet objectif, des descripteurs temporels particulièrement pertinents pour le mode impulsionnel sont introduits et appliqués aux antennes réalisées. Le deuxième objectif de cette thèse est de caractériser les réseaux ULB corporels. Dans ce contexte, la question de l'interaction antenne ULB/corps s'est naturellement posée. De nombreuses simulations et mesures sur des personnes volontaires ont permis d'étudier cette question. Une campagne extensive de mesures du canal ULB sur le corps a été ensuite réalisée, ce qui a permis de proposer un modèle statistique capable de reproduire les effets de ce canal de manière réaliste, en configuration statique.

MODELISATION STATISTIQUE D'ANTENNES DANS LEURS ENVIRONNEMENTS Avec l'émergence des nouvelles technologies sans fils, la ressource spectrale est plus que jamais en voie de saturation. De nouvelles approches d'allocation fréquentielle s'imposent afin de mieux gérer la répartition du spectre. Le concept de la radio cognitive constitue une solution d'avenir pour relever ces défis, s'appuyant sur des terminaux conscients de leur environnement afin de pouvoir analyser ce dernier et s'y adapter de manière dynamique. Il est nécessaire pour cela de bien identifier les mécanismes liés à la propagation et au comportement du terminal, qui peuvent impacter la mise en œuvre et les performances de techniques de radio cognitive. A plus brève échéance, la disponibilité d'outils informatiques apportera une aide à la gestion efficace et dynamique du spectre. Ces outils implémenteront des algorithmes permettant de simuler le fonctionnement des réseaux sans fil dotés des techniques d'allocation dynamique du spectre puis de radio cognitive. Leur développement passe par la mise au point préalable de modèles simplifiés des blocs de base du simulateur, tels que le trafic, la propagation, et les terminaux. Le travail contenu dans le présent manuscrit s'est concentré sur l'étude des interactions entre les antennes et leurs perturbateurs proches dans une perspective de développement de tels modèles. Plusieurs configurations ont ainsi été étudiées en simulation et en mesure afin de représenter la diversité des situations d'usage pour deux types d'applications : la téléphonie mobile et les communications Ultra Large Bande haut débit. Des indicateurs de performances d'antennes ont été définis puis étudiés statistiquement pour illustrer la démarche suivie.

Le marché des radiocommunications de proximité évolue entre autres vers des applications soit à très basse consommation, soit à très haut débit. Bénéficiant d'une largeur de bande instantanée au moins cent fois plus grande que celle des systèmes large bande actuels, la technologie ultra large bande (ULB) se positionne naturellement sur ces deux créneaux. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension et la performance des antennes ULB fonctionnant sur plusieurs gigahertz tout en répondant aux contraintes spécifiques des applications grand public. Dans un premier temps, la réduction de l'encombrement et du coût des antennes est le point de mire du travail de conception. Cependant ces réductions vont en général de pair avec une dégradation des performances qu'il faut pouvoir quantifier. Pour caractériser la performance de l'antenne sur une telle bande, les outils usuels (gain, phase) dans le domaine fréquentiel sont peu adaptés. Particulièrement pertinent pour le mode impulsionnel, des descripteurs temporels sont donc introduits. Entre autres, la distorsion de la forme d'onde rayonnée par l'antenne est étudiée. Elle permet d'analyser et de quantifier l'influence sur la qualité de la liaison, d'un comportement d'antenne variant en fonction de la fréquence. Dans un second temps, la distorsion qu'apporte l'antenne est mise en regard de celle apportée par les autres éléments de la chaîne de communication. Des campagnes de mesures du canal de propagation et de l'impact de l'intégration sur un terminal multimédia ont été réalisées.

Dans un contexte où les ressources énergétiques sont moindres et la demande en termes de débit de communication est forte, il est intéressant de proposer des solutions techniques au niveau de la couche physique permettant d’optimiser la consommation énergétique de systèmes. Actuellement, pour une localisation précise et un transfert de données entre voie et trains efficace, la signalisation ferroviaire exploite des balises disposées entre les rails. La durée possible de la communication entre trains et balises s’avère très brève et n’est effective que lorsque le train passe juste au-dessus de la balise. Celle-ci reste en état de veille jusqu’à ce que le train la télé alimente lors de son passage. Le temps de communication utile entre le train et la balise s’établit à 3-4 ms pour un train roulant à 300 km/h. Par conséquent, plusieurs équipements consécutifs doivent être installés si l’on veut accroître la durée d’échange ou encore la quantité de données échangées. En outre, le fait d’émettre continument un puissant signal de télé alimentation radiofréquence non exploité depuis tous les trains en circulation, la difficulté de maintenance liée à la présence de cet équipement entre les rails, ainsi que la portée et donc la capacité de communication réduites des balises actuelles constituent autant de limitations que nous tentons de pallier avec ce nouvel équipement. Dès lors, nous développons une nouvelle génération de balise ferroviaire fondée sur un lien radiofréquence qui possède une portée atteignant quelques mètres, nettement plus importante que celle exploitable actuellement. Cette balise est également située en bord de voie et non entre les rails pour des questions de facilité de maintenance. Nous utilisons une technique de focalisation du signal émis depuis la balise vers l’antenne embarquée sur le train. Puisque la distance de communication balise au sol - interrogateur est portée à quelques mètres, la télé alimentation par couplage inductif actuelle n’est plus possible. Disposer d’une infrastructure centrale pour alimenter toutes les balises présentes sur le réseau n’est pas réaliste non plus. Une solution raisonnable et économe consiste à générer de l’énergie électrique basse tension localement en utilisant des énergies renouvelables (solaire, éolienne…), et en limitant le plus possible la consommation d’énergie de l’électronique de la balise. Dans cette optique, la contribution scientifique présentée consiste à développer et à optimiser, en termes d’énergie consommée, la couche physique de communication de cet équipement. / In railway signaling, accurate and safe localization of trains is of paramount importance for the safe exploitation of railway networks. Therefore, train odometry has received considerable interest. Usually, train odometers manage different embarked sensors including wheel counters and Doppler radars that compute the position and the speed of the trains. However, as trains move, these proprioceptive sensors accumulate drifts and, as a consequence, train localization accuracy is compromised after several kilometers. In order to fix this drift problem, railway signaling uses beacons installed at ground, on the track, between the rails. Installed every several kilometers, they transmit absolute localization information to trains passing over them thus, bringing back locally the drifts to zero. These beacons constitute major components of railway signaling and also one of the very last equipment installed between the rails. Existing railway beacons are placed on the rails for two main reasons. First of all, since in these conditions the radio link between the train and the beacons remains very short, in the order of a few tens of centimeters, placing the beacons on the rails is very helpful to deliver an accurate local absolute localization to the train. Moreover using this very short radio communication range, while passing over them, trains can supply electrical energy to the beacons by magnetically coupling radiofrequency energy from the train to the beacon. This radiofrequency energy is detected and converted in DC power supply to feed the beacon electronics. This very short range leads to a satisfactory transfer of energy between train and beacon. As indicated previously, beacons can just be position indicators; however, they can also handle communication between grounds and trains using a peer to peer radio link. In this case, communication is only active when the train passes over the beacons, thus, the effective communication time is very short. As another major drawback of this particular implementation between the rails, track maintenance requires disassembling the beacons and then repositioning them safely and accurately.

Les communications radio utilisant des très larges bandes de fréquences (ULB) se sont rapidement développées depuis le début des années 2000. Cette technique présente des avantages qui l'ont rendue attractive dans un grand nombre d'applications civiles et militaires. L'objectif de cette thèse était de concevoir, de réaliser et de caractériser en régime impulsionnel des antennes Ultra Large Bande miniatures, dans la partie basse du spectre (0.1-2 GHz). <br /> Dans un premier temps, une nouvelle structure d'antenne ULB a été conçue: l'antenne filaire repliée. Cette structure très simple et de petite taille, possède naturellement une large bande passante ainsi qu'un diagramme de rayonnement quasi omnidirectionnel sur toute sa bande de fonctionnement. Nous avons développé un modèle analytique rapide et précis décrivant le comportement de cette antenne, ce qui nous a permis de comprendre le rôle des différents paramètres de l'antenne. Il y a un excellent accord entre les résultats obtenus par ce modèle et ceux obtenus par simulation numérique. Grâce à ce modèle analytique, nous avons pu optimiser les performances du monopole filaire replié vers les basses fréquences et ce, par deux méthodes : épaississement des brins rayonnants et ajout de tronçons de lignes. Les deux nouvelles antennes ainsi obtenues ont été caractérisées; elles présentent les mêmes caractéristiques de rayonnement, mais une adaptation différente. <br /> Les outils usuels de caractérisation des antennes dans le domaine fréquentiel (adaptation, diagramme de rayonnement) étant mal adaptés à une étude en mode impulsionnel, nous avons introduit de nouveaux descripteurs qui permettent de quantifier la distorsion introduite par l'antenne: Fonction de fidélité et gain temporel. Une campagne de mesures utilisant un banc impulsionnel et un banc de mesures fréquentiel a été réalisée. Les mesures effectuées sur les différentes versions de l'antenne filaire repliée ont montré un bon accord avec les simulations tant au niveau de la caractérisation fréquentielle que temporelle.<br /> Enfin, nous avons mis au point une technique de mesure temporelle très efficace en utilisant la réflectométrie temporelle. Cette méthode donne de très bons résultats en termes d'impulsions rayonnées et d'adaptation.

Le cadre de cette thèse est centré sur l'étude d'un radar ultra large bande (ULB) en mode impulsionnel, pour la " vision " à travers les murs (VAM), qui présente de nombreuses applications tant dans le domaine militaire (lors des assauts, des prises d'otages, ...) que dans le secteur de la sécurité civile (recherche de personnes dans des décombres, dans un incendie, ...). Pour ces utilisations, l'image réelle de la scène observée n'est pas nécessaire, seules certaines informations pertinentes suffisent : nombre de personnes, position, vitesse de déplacement, etc. C'est dans ce contexte que nous avons développé un dispositif expérimental de détection et des techniques de localisation de cibles derrière un mur. Le radar développé est constitué d'un émetteur impulsionnel couvrant la gamme de fréquence de 3 GHz à 6 GHz, et de trois récepteurs indépendants, associés à des algorithmes de localisation et de reconstruction d'image.Le premier algorithme repose sur une technique de trilatération. Une fois, le modèle théorique présenté, plusieurs méthodes de résolution sont étudiées pour l'estimation de la mesure de la distance de propagation du signal. La méthode de Brent-Dekker a été retenue pour sa rapidité de convergence et son faible nombre d'itérations. Bien que cette technique soit précise, elle ne permet pas d'obtenir une image de la scène, mais juste de localiser les cibles, sans apporter des informations sur ses dimensions. C'est pourquoi une seconde approche, basée sur une " formation de faisceau ", a été étudiée, afin d'obtenir une représentation 2D de la scène. Nous avons choisi de développer une méthode de rétroprojection non cohérente, technique la plus simple qui ne nécessite pas de contrainte forte sur la phase du signal ni sur le positionnement des antennes. Différentes variantes de rétroprojection ont été proposées : la rétroprojection avec cross corrélation, la rétroprojection cross corrélation améliorée et la rétroprojection bicross corrélée. Ces trois méthodes reposent sur une fusion d'informations capturées par l'antenne réceptrice avec celles obtenues sur des antennes dites de référence. Cette fusion a permis d'améliorer progressivement le rendu des images.Pour conclure ses travaux, une perspective est ébauchée afin de minimiser le taux de fausse détection, elle s'appuie sur la collaboration de la technique de trilatération avec la technique de rétroprojection bicross corrélée. Cette collaboration permet de mettre en correspondance les détections estimées par la technique de trilatération et celles utilisant la rétroprojection bicross corrélée. Les cibles non appariées sont alors supprimées selon des critères spécifiques à chacune des deux approches.

Les performances des antennes Ultra Large Bande (ULB) les rendent appropriées pour de nombreuses applications. En radar à pénétration de surface (SPR), application visée de cette thèse, une telle bande passante offre un excellent compromis entre capacité de pénétration et résolution spatiale en imagerie micro-ondes. De plus, il a été démontré que la prise en compte du champ rayonné par l'antenne en présence de la surface améliore considérablement la qualité des images obtenues. Cette thèse aborde la problématique de la quantité de données représentant les antennes ULB. En effet, les descripteurs classiques d'antenne ne suffisent pas à caractériser l’évolution en fréquence de leurs performances. Le développement en harmoniques ou vecteurs sphériques est utilisé pour modéliser le diagramme de rayonnement d’antennes tout en réduisant le volume de données. D'autre part, les méthodes d'expansion en singularités modélisent la réponse en fréquence (ou impulsionnelle) de l'antenne par un ensemble de pôles de résonance. Le but de ce travail de thèse est d'établir un modèle compact qui représente avec précision le rayonnement d'antenne, et permette la connaissance du champ à différentes distances. A cette fin, plusieurs combinaisons des méthodes de caractérisation ont été étudiées. L'approche proposée est validée par la modélisation du diagramme de rayonnement simulé et mesuré d'une antenne Vivaldi (ETSA). Le modèle établi fournit le champ rayonné à différentes distances de l'antenne avec une erreur inférieure à 3% avec un taux de compression de 99%. La dernière partie de cette thèse présente une application de l'approche proposée au rayonnement d’antennes en présence d’interfaces / UWB antennas bandwidth makes them highly suitable for a number of applications. In surface penetrating radar (SPR) applications, which is the focus of our research, such a bandwidth range allows good signal penetration ability and fine space resolution for microwave imaging. In addition, it has been shown that the knowledge of the radiated field by the antenna enhances drastically the quality of the resulting images. The work reported in this thesis deals with the problematic of the huge amount of data representing UWB antennas. Indeed, due to the frequency dependence, the classical antenna parameters are not sufficient to characterize this type of antenna. The scalar or vector spherical wave expansion is widely used to expand the radiation pattern of a radiating antenna and permit a high compression data rate. On the other hand, the Singularity Expansion Methods are used in frequency/time domain to model the antenna response by a set of resonant poles. The purpose of this thesis is to establish a compact model representing accurately the antenna radiation characteristics, which also allows to find the field at various distances. To this end, several ways of combining the aforementioned methods have been investigated. The proposed approach is validated by modeling the simulated and measured radiation pattern of an Exponential Tapered Slot Antenna (ETSA) in free space. Furthermore, we verify that the established compact model provide radiated field at different distances from the antenna with a compression of the initial pattern up to 99% and an error below 3%. The last part of this thesis, present an application of the proposed methodology to SPR context

Ce travail s’intéresse aux transmissions ultralarge bande (ULB) dans les réseaux sans fils. La diversité spatiale est introduite par l’utilisation du système multiple-input multiple-output (MIMO) comme une technique efficace pour lutter contre l’évanouissement dû aux trajets multiples dans les communications sans fils. Mais, souvent l’intégration d’antennes multiples au niveau de l’émetteur ou du récepteur est coûteuse. Comme alternative, nous proposons d’utiliser la diversité coopérative qui garantit des gains de diversité spatiale en exploitant les techniques MIMO traditionnelles sans avoir besoin d’antennes multiples. L’objectif est d’introduire la diversité coopérative aux systèmes de transmission ULB. Nous considérons deux techniques d’accès multiple avec des schémas de modulation différents (time hopping pulse position modulation TH-PPM et direct sequence binary phase shift keying DSBPSK) avec le protocole de coopération decode-and-forward (DF). Nous utilisons le récepteur Rake afin d’exploiter la diversité de trajet multiple et analysons les statistiques de variable de décision à la sortie de ce récepteur. Nous présentons des résultats de simulation de la performance en termes de taux d’erreur binaire (TER) du système étudié sous différents canaux UWB compte tenu de la norme IEEE 802.15.4a. Ces résultats montrent que la coopération avec des relais améliore significativement les performances de transmission ULB, et que le gain de diversité augmente proportionnellement avec le nombre de relais. En présence d’IAM, la performance du système se dégrade de manière significative, mais l’avantage de la coopération est encore modérément efficace. La performance dans ce cas est limitée en termes de diversité achevée parce que le canal entre la source et le relais en présence d’IAM devient moins favorable. C’est pourquoi nous proposons d’utiliser la technique de sélection d’antenne au relais afin d’améliorer la fiabilité du canal source-relais. Cette solution permet d’améliorer la performance grâce au gain de la diversité d’antennes multiples disponibles au relais toute en n’utilisant qu’une seule chaîne radiofréquence (RF), qui conduit à une réduction des coûts et de la complexité. / This work focuses on the ultra wideband (UWB) transmission in wireless networks. Spatial diversity is introduced by the use of multiple-input multiple-output (MIMO) system as an effective technique to overcome multipath fading in wireless communications. But the integration of multiple antennas at the transmitter or receiver is often costly. As an alternative, we propose to use the cooperative diversity that provides spatial diversity gains by exploiting the traditional MIMO techniques without the need for multiple antennas. The objective is to introduce cooperative diversity to UWB transmission systems. We consider two multiple access techniques with different modulation schemes (time hopping pulse position modulation TH-PPM and direct sequence binary Phase Shift Keying DS-BPSK) with the cooperation protocol decode-and-forward (DF). We use the Rake receiver to exploit multipath diversity and analyze the decision variable statistics at the output of the receiver. We present simulation results of the BER performance of the proposed system under different UWB channel given the IEEE 802.15.4a standard. Our results show that the cooperation with the relay significantly improves the performance of UWB transmission, and that the diversity gain increases with the number of relays. In the presence of MAI, the overall system performance degrades significantly, but the benefit of cooperation is still moderately effective. The performance in this case is limited in terms of attainable diversity that the source-relay link becomes worse when MAI is present. That is why we propose to use antenna selection at the relay receiver in order to improve the reliability of the source-relay link. This solution is shown to improve the performance by exploiting the diversity of the available antennas at the relay, while using a single Radio Frequency (RF) chains. This leads to reduced cost and complexity.