The electronic control, instrumentation and communication hardware is becoming more and more compact and faster in operation due to the increased use of large scale integration of semiconductor devices operating at higher speeds. The use of VLSI circuit based systems in various industrial and defence sectors is also increasing continuously. Since the operating threshold voltages and currents of these devices are very small they are very prone to electrical disturbance in their operation by the Electromagnetic Interference (EMI) signals. Their proper functioning is very important particularly in the case of systems used in mission mode, critical defence/industrial platforms. EMI can be generated within the electronic system/equipment itself or may result due to some external electromagnetic source. The high power Ultra Wide Band system is one such kind of external High Power Electromagnetic (HPEM) interference source which may cause malfunctioning/physical damage to the sensitive electronic systems. Hence it is necessary to test the susceptibility of electronics to such high power UWB based intentional EMI or IEMI sources. The sources for generating these transient EM fields may also be used in impulse radars and offensive applications to mal-operate/damage non-friendly electronics. The UWB system consists of a high voltage pulsed power source called pulser along with a high bandwidth (Ultra Wide Band) antenna to radiate the UWB signal. The pulse fed by the pulser to the antenna through a switch is of high voltage type (amplitude of few 10s of kV to about a MV) and has a sub-nanosecond rise time. Most of the UWB systems developed over the world have the switch employing gaseous dielectric switching media used at pressures above the atmospheric level to generate such a fast rise time voltage pulse. Use of gaseous switching media at sub-atmospheric pressures to achieve sub-ns rise time, short duration high voltage pulses required for the high power UWB applications is another possibility. This possibility has not been exploited till date. Hence it was decided to develop a pulser switch with gaseous switching media at sub-atmospheric pressures (up to 50 mbar) and achieve sub-ns rise time voltage pulses of up to 50 kV. The energy delivered out by the UWB system depends upon the pulser output energy per switching shot and the repetitive switching rate of the pulser. To achieve maximum energy output it is required to maximize either the energy per switching shot or the pulse repetition rate (PRR) of the pulser switch. The optimization of the pulser operation to achieve maximum pulser energy output in every switching shot has not been tried so far. In this work it was decided to analyze the circuit so as to achieve maximum pulser output energy per switching shot. Another objective of the study was to systematically characterize the pulser switch using various gases and gas mixtures as the switching media to evaluate the switch performance as a function of gas pressure and switch breakdown voltage. The effect of pulser and antenna performance parameters on the UWB system performance was also decided to be evaluated. Hence the present thesis work deals with the design, development, evaluation and performance optimization of a 50 kV, 25 MW UWB system based on Half Impulse Radiating Antenna (HIRA) fed by a coaxial capacitive pulser. The spark gap type self triggered pulser switch is designed to have a fixed gap spacing and variable gas pressure in order to vary the switch breakdown voltage. The switch is designed for operation with dry air, nitrogen, sulphur hexafluoride (SF6) and a mixture of different gases as the dielectric switching media with pressures of up to 5 bar above the atmospheric level and up to 50 mbar below the atmospheric level. Physical placement of the switch just above the coaxial pulser capacitor terminal offered a low inductance geometry. The rise time estimation of the switch has been carried out as a function of gas pressure and the switch arc inductance. These rise time values have been compared with the measured ones and a good agreement was found between the two. The rise time values indicate that an inverse relationship exists between the gas pressure and the rise time. The rise time was found to decrease at increased pressures. SF6 gas offered the minimum rise time out of all the gases/mixtures studied. The pulse repetition rate (PRR) of the UWB system depends upon the dielectric recovery of the gaseous switch and the charging time of the pulser capacitor. To estimate the PRR a circuit model has been proposed based on these parameters. The model shows an inverse relationship between the switch breakdown voltage (BDV) and the gas pressure with the PRR. The estimated PRR values were found to vary between 800 Hz and 5 kHz in the experimented range of the switch breakdown voltage. The PRR values have also been experimentally measured. There is a good match between the measured and the estimated values up to the switch BDV of 12.5 kV after which the difference is increased to about 20 %. The feed for the reflector of the HIRA antenna consists of a pair of coplanar conical transverse electromagnetic (TEM) feed plates as they have a better antenna aperture blockage performance. The angles of the TEM feed plates have been chosen using stereographic projections of the feed plates into the HIRA reflector. Each TEM feed plate of 200  characteristic impedance has been terminated by matched resistor. An analytical expression has been derived to optimize the pulser output voltage at which the energy output per switching shot of the UWB system is maximum. It was found that when the pulser output voltage i.e. the switch breakdown voltage is 75 % of the dc source voltage the output energy delivered is maximum. It was possible to achieve a maximum output energy of 10 J per switching shot for the designed 25 MW high power UWB system. The HIRA antenna has been analysed for the impedance profile for frequencies up to 3.5 GHz and was found to maintain a reflection performance better than -10 dB over the frequency range. The radiated field analysis of the antenna was carried out using an analytical model and numerically by using a commercially available software. It was found that as per the analytical model, the Figure of Merit (FoM) of the designed UWB system is 1.41 V for a normalized excitation feed pulse of 1 V and the 3 dB spectral content of the radiated field is between 180 MHz-1.8 GHz. The corresponding results using computer simulations of the UWB system indicate a slightly lesser FoM of 1.1. Higher FoM obtained using the analytical model is due to ignoring the antenna aperture blockage and the field diffraction effects over the TEM feed arms as well as from the rim of the reflector of the antenna. The radiated field amplitude and gain of the HIRA antenna were found to be a direct function of the frequency of the radiated signal. Higher gains and narrower beam width for the radiated field were observed with an increase in the frequency. The radiated field spectral waveform in the near field region was observed to have a notch at a particular frequency and its harmonics. The notch frequency was found to be a function of the propagation time difference called clear time. The effect of pulser rise time, antenna feed arm impedance and position on the radiated far field amplitude and wave shape was analysed. It was observed that with decrease in the pulser rise time from 700 ps to 100 ps, the radiated field amplitude increases by about 600 %. A matched termination impedance with position of 30of the TEM feed arms with respect to the vertical symmetry axis of the antenna provides a higher radiated field amplitude and lower post pulse oscillations in the radiated field waveform. The pulser switch was evaluated systematically for various performance parameters such as BDV, rise time, PRR, voltage recovery and jitter characteristics as a function of switch gas pressure, type of gaseous switching media and breakdown voltage at pressures above and below the atmospheric level. The switch BDV was found to be a linear function of pressure of the gas used i.e. dry air, nitrogen, sulphur hexafluoride (SF6) and a mixture of air and SF6. The measured rise times of all the gases were found to be in inverse proportion to the switch gas pressure. SF6 gas offered the best rise time and hence was found to be a good contender for achieving higher radiated field amplitudes and bandwidth. The voltage recovery characteristics of SF6 gas and air were experimentally studied as a function of the recovery time. It is found that both the gases have similar recovery characteristics having a distinct saturation plateau region. It was found that for a given recovery time SF6 recovers to a higher voltage than air and the recovery further improves for SF6 at increased pressures (between 0.5-2 bar). The effect of the number of switching shots on the jitter in the switch rise time was measured by operating the switch continuously at a PRR of 1 kHz and for total number shots up to 10.8 M. It was observed that the jitter increases by an order of magnitude after 10.8 M shots. This indicates that for the present switch design, the switch electrodes require maintenance (buffing, polishing, etc.) after every 3.5 M shots to maintain a reasonably low jitter. SF6 gas was characterized for a fixed source voltage to determine the effect of pressure on rise time in the sub atmospheric regime (up to 50 mbar). It was found that the rise time vs. pressure characteristics follows the Paschen’s curve with a value of pressure at which rise time is the lowest for a given source voltage. With increase in the source voltage the rise time was found to decrease. The HIRA based UWB radiating system was evaluated for radiated fields in the near and far field region for the temporal and spectral characteristics. It was found that for the source voltage of 25 kV, the FoM in the near and far field region are 29.4 kV and 28.9 kV respectively. The fields in the distant far field region have more oscillatory post pulses due to the effect of ground reflections and the low frequency dipole moment mismatch of the antenna. Since SF6 gas offered the best rise time of 193 ps at a voltage of 46 kV than the other gases tried, the radiated field is the highest (5.3 kV/m) with SF6 at a distance of 10 m offering a gain factor of 1.15. Dry air offered a radiated field gain factor of 0.83 which got improved by 33 % by just 30 % addition of SF6 gas into the air. The field amplitudes measured were in good agreement with those computed using the analytical model and the computer simulations and they follow the 1/R rule as a function of the far field distance, R in the bore sight direction. The measured radiation pattern of the UWB system showed a focussed and narrow radiated field beam at higher frequencies with a half field beam width (HFBW) of 8 at 2 GHz. The UWB system was measured to have dominant highest cut off frequency of 1.79 GHz with a band ratio and percentage band width of 9.56 and 162.11 % respectively. This confirmed that the developed system is of sub-hyper band radiator type. The UWB system developed through this work is having a better performance than some of the other systems developed elsewhere in the world, in terms of FoM (53 kV) and the PRR (> 1 kHz). The system can be further improved in terms of consistency (jitter) and intensity by use of a triggered switch and hydrogen gas at 100 bar pressure as the switching medium respectively. The profile of the TEM feed plates of the HIRA antenna may be further improved to have a better antenna aperture fill factor. Such multiple systems in an arrayed manner may be used either for higher power output/better agility of the radiated field beam. This system will be fully exploited for the applications of susceptibility evaluation of electronic circuits, non-friendly applications as well as impulse radars

La sécurité des systèmes de communication mobiles/sans fil est problématique, car ceux-ci sont généralement construits suivant une topologie répartie ou arborescente. Les noeuds qui composent ces réseaux sont caractérisés par des ressources limitées et connectés généralement entre eux d'une manière ad-hoc sans l'aide d'une tierce personne de confiance. Les méthodes de sécurité matures issues du monde des réseaux filaires s'appuient souvent sur des procédés nécessitant des systèmes centralisés et des ressources importantes qui sont difficiles à mettre en place dans des réseaux à fortes contraintes. Dans le cadre de cette thèse, on propose de nouvelles solutions de sécurité qui exploitent les propriétés du médium électromagnétique et de l'interface de radiocommunication dans le but d'assurer des communications sécurisées. La thèse est structurée en deux parties. La première est dédiée au problème de génération de clés de cryptage en exploitant les propriétés des systèmes de communication à bande de fréquence ultra large (ULB). Trois phases sont nécessaires pour convertir le canal radio en clés secrètes: l'estimation du canal, la quantification et l'accord mutuel entre noeuds. Des expérimentations ont été effectuées pour valider les hypothèses sur lesquelles se fondent les méthodes de génération de clés (c.-à-d. la réciprocité et la décorrélation spatiale du canal). Notre étude a montré que la robustesse de ces techniques de sécurité repose sur le choix des algorithmes de numérisation utilisés pour la conversion de la signature du canal ULB vers un format de clé. Une solution adaptative d'extraction a été proposée, évaluée et testée. La robustesse contre les attaques de prédiction du canal a été également examinée. La deuxième partie traite le problème des intrusions illégitimes aux réseaux sans fil. Dans un premier temps, nous testons expérimentalement une méthode basée sur les variations électromagnétiques afin de détecter l'attaque d'écoute passive "eavesdropping" dans les réseaux de capteurs. Par la suite, nous présentons nos travaux concernant l'attaque relais qui est une variante de l'attaque de l'homme-du-milieu et qui est considérée comme un grand défi en particulier pour les systèmes d'authentification. Une nouvelle approche basée sur la détection de la variation des caractéristiques du bruit a été proposée. Des études théoriques et expérimentales ont été conduites pour vérifier la validité de la proposition dans les systèmes de communication de type RFID. / Security in mobile wireless networks is considered a major impediment since these environments are a collection of low-cost devices. They are generally collected in ad hoc manner without the help of trusted third party. Therefore, conventional security methods are always inappropriate. Recent contributions propose to explore the radio communication interface and to turn the radio propagation problems into advantages by providing new alternatives to enhance security. In this thesis, we investigate the signal-based security concept and study its effectiveness through experiments. The first part of this dissertation discusses the problem of key generation from Ultra Wide Band channel. To derive secret keys from channel measurements three stages are required: channel estimation, quantization and key agreement. A campaign of measurements has been performed to confirm the fundamental channel requirements for key generation (i.e., the reciprocity and the spatial decorrelation). Results show that the robustness of such techniques depends on the channel information used as source of randomness as well as on the underlying algorithms. Analysis on the impact of each stage (i.e. the quantization and the key agreement) on the security has been presented. An adaptive key extraction method is proposed, performances are evaluated and robustness against deterministic channel prediction attacks is presented. The second part of the dissertation considers the problem of intrusion detection. First, we test a method based on electromagnetic radiation to discover the presence of an adversary in the receiver/emitter vicinity. Then, the problem of relay attack detection is investigated in RFID systems. A relay attack is a man-in-the middle attack, where the adversary is able to successfully pass the authentication phase by relaying messages between the legitimate verifier and the prover. A new solution based on the noise channel is proposed to detect this attack. Experimental and theoretical results are provided to test the effectiveness of the new proposition.

Les systèmes radio impulsionnelle Ultra large bande (IR-ULB), de part la nature de leurs signaux et de leurs architectures, montrent des caractéristiques intéressantes pour concurrencer les technologies existantes (Zigbee, Bluetooth et RFID) pour certaines applications nécessitant un faible coût et une faible consommation de puissance. Dans ce contexte cette thèse évalue les potentialités des systèmes IR-ULB pour la réalisation d’objets communicants miniatures.En utilisant une technologie "System In Package" (SiP), des objets communicants ULB prototype intégrant une ou plusieurs puces CMOS et une antenne ULB directement réalisée sur le boîtier sont présentés dans la thèse. Les transitions entre le circuit imprimé et les puces sont réalisées avec des fils d'interconnexion ("wirebonding"). Les points d'étude de la thèse se focalisent particulièrement sur la mise en boîtier d'une puce ULB et sur la conception sur silicium de la tête radio fréquence d'un système ULB. La réalisation d'une interconnexion faible cout par "wirebonding" entre un circuit intégré ULB et son support est problématique aux fréquences utilisées en ULB (3-10 GHz) en raison des éléments parasites importants limitant sa bande passante. Pour obtenir une transition ne dégradant pas les signaux ULB, plusieurs méthodologies d’interfaçage sont proposées permettant de réaliser sans augmentation notable de cout une transition large bande entre le circuit intégré et le circuit imprimé du boîtier. L'intégration en technologie CMOS standard des éléments principaux constituant la tête radio fréquence d'un système ULB impulsionnel (LNA, détecteur d'impulsions et générateurs d'impulsions) est étudiée. L'intérêt d'un co-design entre le silicium et le circuit imprimé lors de la conception de ces éléments est mis en avant. L'intégration ainsi que la miniaturisation du système final dans une technologie SIP sont également présentées. / Due to the nature of their signals and their architectures, Impulse Radio Ultra Wide Band (IR-UWB) systems show interesting features to compete with existing technologies (Zigbee, Bluetooth and RFID UHF) for low cost and low power applications. In this context, this thesis evaluates the potential of UWB systems for the realization of miniature communication devices.The thesis presents UWB communicating devices realized with a System in Package (SiP) technology. Devices incorporate one or several CMOS chips and an antenna directly printed on the board (PCB). Transitions between the PCB and the chips are made with standard wire bonds. The thesis especially focuses on packaging of UWB dice and on the design of UWB front end radio frequency.Due to important parasitic elements limiting its bandwidth, wire bonds transition is problematic for UWB applications (3-10 GHz). This thesis proposes several methodologies to interface integrated circuit and PCB to obtain a broadband transition without increasing cost production. The integration in standard CMOS technology of main components comprising the UWB radio frequency front end (LNA, pulse detector and pulse generator) is studied. The interest of a co-design between silicon and PCB to design these elements is pointed up. Integration and miniaturization of the final system in a SIP technology are also presented.

Les circuits de récupération d'horloge et de données sont nécessaires au bon fonctionnement de plusieurs systèmes de communication sans fil. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse concernent le développement de ces circuits avec d'une part la réalisation, en technologie HCMOS9 0,13 μm de STMICROELECTRONICS, de circuits CDR analogiques à 1 et 54 Mbit/s, et d'autre part, la mise en œuvre de fonctions CDR numériques programmables à bas débit. Un circuit CDR fonctionnant à plus bas débit (1 Mbit/s) a été conçu dans le cadre de la gestion d'énergie d'un récepteur ULB impulsionnel non cohérent. Ces deux structures ont été réalisées à l'aide de PLL analogiques du 3ème ordre. Un comparateur de phase adapté aux impulsions issues du détecteur d'énergie a été proposé dans cette étude. Les circuits ont ensuite été dimensionnés dans le but d'obtenir de très bonnes performances en termes de jitter et de consommation. En particulier, les performances mesurées (sous pointes) du circuit CDR à 1 Mbit/s permettent d'envisager une gestion d'énergie efficace (réduction de plus de 97% de la consommation du récepteur). Dans le cadre d'une chaîne de télémesure avion vers sol, deux circuits CDR numériques ont également été réalisés durant cette thèse. Une PLL numérique du second degré a été implémentée en vue de fournir des données et une horloge synchrone de celles-ci afin de piloter une chaîne SOQPSK entièrement numérique. Un circuit ELGS a également mis au point pour fonctionner au sein d'un récepteur PCM/FM. / Clock and data recovery circuits are required in many wireless communication systems. This thesis is about development of such circuits with: firstly, the realization, in HCMOS9 0.13 μm of STMICROELECTRONICS technology, of 1 and 54 Mb/s analog CDR circuits, and secondly, the implementation of programmable digital circuits at low rates. In the aim of an impulse UWB transceiver dealing with video transmission, a CDR circuit at 54 Mb/s rate has been realized to provide clock signal synchronously with narrow pulses (their duration is about a few nanoseconds) from the energy detector. Another CDR circuit has been built at 1 Mb/s rate in a non-coherent IR- UWB receiver power management context. Both circuits have been implemented as 3rd order analog PLL. In this work, a phase comparator suitable for “RZ low duty cycle” data from the energy detector has been proposed. Circuits have been sized to obtain very good performances in terms of jitter and power consumption. Particularly, measured performances of the 1 Mb/s CDR circuit allow to plan an efficient power management (a decrease of more than 97% of the receiver total power consumption). In the context of a telemetry system from aircraft to ground, two digital CDR circuits have also been implemented. A second order digital PLL has been adopted in order to provide synchronous clock and data to an SOQPSK digital transmitter. Also, a digital ELGS circuit has been proposed to work in a PCM/FM receiver. For both CDR structures, the input signal rate is programmable and varies globally from 1 to 30 Mb/s.

Dans ce travail de thèse, nous présentons nos travaux qui portent sur l’identification des cibles en général par un radar Ultra-Large Bande (ULB) et en particulier l’identification des cibles dont la surface équivalente radar est faible telles que les piétons et les cyclistes. Ce travail se décompose en deux parties principales, la détection et la reconnaissance. Dans la première approche du processus de détection, nous avons proposé et étudié un détecteur de radar ULB robuste qui fonctionne avec des données radar 1-D (A-scan) à une dimension. Il exploite la combinaison des statistiques d’ordres supérieurs et du détecteur de seuil automatique connu sous le nom de CA-CFAR pour Cell-Averaging Constant False Alarm Rate. Cette combinaison est effectuée en appliquant d’abord le HOS sur le signal reçu afin de supprimer une grande partie du bruit. Puis, après avoir éliminé le bruit du signal radar reçu, nous implémentons le détecteur de seuil automatique CA-CFAR. Ainsi, cette combinaison permet de disposer d’un détecteur de radar ULB à seuil automatique robuste. Afin d’améliorer le taux de détection et aller plus loin dans le traitement, nous avons évalué l’approche des données radar 2-D (B-Scan) à deux dimensions. Dans un premier temps, nous avons proposé une nouvelle méthode de suppression du bruit, qui fonctionne sur des données B-Scan. Il s’agit d’une combinaison de WSD et de HOS. Pour évaluer les performances de cette méthode, nous avons fait une étude comparative avec d’autres techniques de suppression du bruit telles que l’analyse en composantes principales, la décomposition en valeurs singulières, la WSD, et la HOS. Les rapports signal à bruit -SNR- des résultats finaux montrent que les performances de la combinaison WSD et HOS sont meilleures que celles des autres méthodes rencontrées dans la littérature. A la phase de reconnaissance, nous avons exploité les données des deux approches à 1-D et à 2-D obtenues à partir du procédé de détection. Dans la première approche à 1-D, les techniques SVM et le DBN sont utilisées et évaluées pour identifier la cible en se basant sur la signature radar. Les résultats obtenus montrent que la technique SVM donne de bonnes performances pour le système proposé où le taux de reconnaissance global moyen atteint 96,24%, soit respectivement 96,23%, 95,25% et 97,23% pour le cycliste, le piéton et la voiture. Dans la seconde approche à 1-D, les performances de différents types d’architectures DBN composées de différentes couches ont été évaluées et comparées. Nous avons constaté que l’architecture du réseau DBN avec quatre couches cachées est meilleure et la précision totale moyenne peut atteindre 97,80%. Ce résultat montre que les performances obtenues avec le DBN sont meilleures que celles obtenues avec le SVM (96,24%) pour ce système de reconnaissance de cible utilisant un radar ULB. Dans l’approche bidimensionnelle, le réseau de neurones convolutifs a été utilisé et évalué. Nous avons proposé trois architectures de CNN. La première est le modèle modifié d’Alexnet, la seconde est une architecture avec les couches de convolution arborescentes et une couche entièrement connectée, et la troisième est une architecture avec les cinq couches de convolution et deux couches entièrement connectées. Après comparaison et évaluation des performances de ces trois architectures proposées nous avons constaté que la troisième architecture offre de bonnes performances par rapport aux autres propositions avec une précision totale moyenne qui peut atteindre 99,59%. Enfin, nous avons effectué une étude comparative des performances obtenues avec le CNN, DBN et SVM. Les résultats montrent que CNN a les meilleures performances en termes de précision par rapport à DBN et SVM. Cela signifie que l’utilisation de CNN dans les données radar bidimensionnels permet de classer correctement les cibles radar ULB notamment pour les cibles à faible SER et SNR telles que les cyclistes ou les piétons. / In this thesis work, we focused on the study and development of a system identification using UWB-Ultra-Wide-Band short range radar to detect the objects and particularly the vulnerable road users (VRUs) that have low RCS-Radar Cross Section- such as cyclist and pedestrian. This work is composed of two stages i.e. detection and recognition. In the first approach of detection stage, we have proposed and studied a robust UWB radar detector that works on one dimension 1-D radar data ( A-scan). It relies on a combination of Higher Order Statistics (HOS) and the well-known CA-CFAR (Cell-Averaging Constant False Alarm Rate) detector. This combination is performed by firstly applying the HOS to the received radar signal in order to suppress the noise. After eliminating the noise of the received radar signal, we apply the CA-CFAR detector. By doing this combination, we finally have an UWB radar detector which is robust against the noise and works with the adaptive threshold. In order to enhance the detection performance, we have evaluated the approach of using two dimensions 2-D (B-Scan) radar data. In this 2-D radar approach, we proposed a new method of noise suppression, which works on this B-Scan data. The proposed method is a combination of WSD (Wavelet Shrinkage Denoising) and HOS. To evaluate the performance of this method, we performed a comparative study with the other noise removal methods in literature including Principal Component Analysis (PCA), Singular Value Decomposition (SVD), WSD and HOS. The Signal-to-Noise Ratio (SNR) of the final result has been computed to compare the effectiveness of individual noise removal techniques. It is observed that a combination of WSD and HOS has better capability to remove the noise compared to that of the other applied techniques in the literature; especially it is found that it allows to distinguish efficiency the pedestrian and cyclist over the noise and clutters whereas other techniques are not showing significant result. In the recognition phase, we have exploited the data from the two approaches 1-D and 2-D, obtained from the detection method. In the first 1-D approach, Support Vector Machines (SVM) and Deep Belief Networks (DBN) have been used and evaluated to identify the target based on the radar signature. The results show that the SVM gives good performances for the proposed system where the total recognition accuracy rate could achieve up to 96,24%. In the second approach of this 1-D radar data, the performance of several DBN architectures compose of different layers have been evaluated and compared. We realised that the DBN architecture with four hidden layers performs better than those of with two or three hidden layers. The results show also that this architecture achieves up to 97.80% of accuracy. This result also proves that the performance of DBN is better than that of SVM (96.24%) in the case of UWB radar target recognition system using 1-D radar signature. In the 2-D approach, the Convolutional Neural Network (CNN) has been exploited and evaluated. In this work, we have proposed and investigated three CNN architectures. The first architecture is the modified of Alexnet model, the second is an architecture with three convolutional layers and one fully connected layer, and the third is an architecture with five convolutional layers and two fully connected layers. The performance of these proposed architectures have been evaluated and compared. We found that the third architecture has a good performance where it achieves up to 99.59% of accuracy. Finally, we compared the performances obtained using CNN, DBN and SVM. The results show that CNN gives a better result in terms of accuracy compared to that of DBN and SVM. It allows to classify correctly the UWB radar targets like cyclist and pedestrian.

L'engouement du grand public pour les objets communicants et l'évolution des technologies a entraîné le besoin de transférer des quantités grandissantes d'informations en un minimum de temps. L'arrivée de l'UWB à la fin des années 90 a apporté aux communications sans fil une solution à cette problématique. L'UWB permet en effet d'atteindre de très hauts débits de transmission sur de courtes distances dans des environnements intra-bâtiment. Parmi les solutions envisagées pour cette nouvelle couche physique très haut débit, le système MB-OFDM répond bien aux contraintes environnementales. L'objectif des travaux réalisés dans le cadre de cette thèse est d'étudier et de proposer une amélioration du système MB-OFDM.<br /><br />Après la présentation du système MB-OFDM et de ses performances, nous proposons une nouvelle forme d'onde pour l'UWB nommée LP-OFDM. Elle est obtenue en ajoutant au système MB-OFDM une fonction de précodage linéaire combinant avantageusement l'OFDM et la technique d'étalement de spectre. L'utilisation du précodage linéaire permet une meilleure exploitation de la diversité fréquentielle du canal. Il offre également une plus grande granularité dans le choix des débits, augmentant ainsi la flexibilité du système. Il est important de souligner que l'ajout de la fonction de précodage linéaire s'accompagne d'une augmentation minime de la complexité du système.<br /><br />Des techniques d'optimisation du système sont proposées. Afin de minimiser l'interférence entre les codes d'étalement, une technique reposant sur l'allocation des séquences d'étalement est décrite et un critère de sélection proposé. Nous avons également mis en évidence la nécessité de trouver un compromis entre le rendement de codage et la longueur des séquences d'étalement afin de tirer au mieux partie de la diversité du canal tout en limitant l'interférence entre les codes. Une amélioration notable des performances du système LP-OFDM est ainsi obtenue par rapport au système MB-OFDM. Le système LP-OFDM étendu au cas du MIMO utilisant un codage temps-espace d'Alamouti est également étudié. Les résultats obtenus montrent là encore une amélioration significative des performances permettant d'envisager une augmentation de la portée ou des débits de transmission.<br /><br />Enfin, l'impact d'un interférent à bande étroite de type WiMAX sur les performances du système LP-OFDM est étudié comparativement au système MB-OFDM. Il en ressort que le système LP-OFDM est plus robuste que le système MB-OFDM face à un brouilleur. L'utilisation du précodage linéaire permet en effet d'étaler la puissance du signal interférent en réception lors du déprécodage linéaire.

In recent years, the wireless industry has witnessed tremendous development for the defense and commercial segments. The explosive growth in the modern radio frequency and microwave systems leads to an increased interest in the research of miniaturized microwave circuits with superior performance. Broadband components, in particular band pass filters (BPFs) and couplers are some of the widely used components in the modern communication systems, software defined radios, cognitive radios, imaging systems and positioning radars. In order to meet these requirements, the use of innovative geometries, a thorough understanding of their behavior by appropriate analytical techniques and the use of appropriate fabrication approaches are essential. This thesis is an effort in this direction. In this thesis work, an aperture in the ground plane is used to achieve the tight coupling in the edge and broadside-coupled coupled lines which may be otherwise difficult due to the fabrication limitations. Since microstrip lines with an aperture in the ground plane are found to be very useful in various MIC and MMIC components, closed form analytical expressions developed here will be useful for their initial synthesis. The performances of components using these are enhanced using open/short circuited resonators, spurlines and stubs. A quasi-static approach has been investigated to obtain simple closed form expressions for a microstrip line with a rectangular aperture in the ground plane. The effect of a rectangular aperture in the ground plane has been incorporated in the commonly used expressions of a regular microstrip line by introducing the concept of an equivalent effective height. The expressions for the effective height microstrip geometries with defected ground are obtained and this has been further extended to various possibilities of two-conductor and three-conductor coupled lines. Analysis of the filters and the couplers are mainly based on the even and odd mode propagation characteristics of coupled lines. This approach is extended in this thesis for three conductor coupled lines. Novel broadband BPFs and couplers and dual band pass filters employing various coupled line configurations and defected ground have been developed in this research work. Most of these components have been implemented on a regular microwave laminate or LTCC medium (planar or multi-layer) and tested for the required RF performances. The experimental results were compared against the analytically computed results based on the circuit models and the full wave simulations using electromagnetic (EM) simulations for the validation. The results are in good agreement. With practical requirements of the organization in mind, additional design elements such as open circuit stubs have been incorporated in some of these designs to achieve the desired performance. It is expected that the wideband filter (3.0GHz to 3.8GHz) and the broadband coupler (4GHz to 6GHz) developed in this thesis work would be deployed in systems developed at the Central Research Laboratory, Bharat Electronics Limited, Bangalore, India. In summary, the present doctoral work strives to (i) establish a simplified analysis method for the microstrip lines and coupled microstrip lines with a rectangular aperture in the ground plane, (ii) extend the even and odd mode analysis of the coupled lines for several new coupled line configurations, (iii) design novel broadband microwave filters, dual band filter and couplers using both these, (iv) fabricate these devices using the planar technologies including LTCC, and (v) validate the analysis and design with important practical applications.

Actuellement, la majorité des équipements électroniques prenant place dans nos véhicules s'interconnectent encore par des liens câblés. Or, l'établissement d'un réseau sans fil permet de remplacer ces liens existants. Afin de permettre cette connectivité et pour répondre aux exigences futures, une solution qui accepte suffisamment de débit doit être développée. Parmi les solutions actuelles possibles, l'Ultra-Large Bande est le candidat idéal. De manière générale, cette Thèse se consacre à l'étude de la propagation à l'intérieur d'une voiture. Afin d'évaluer les performances de ce type de système à l'intérieur d'un véhicule, un modèle de canal pouvant reproduire avec fidélité la propagation intra-véhiculaire est nécessaire. De par la similarité entre les environnements, le modèle de canal proposé est basé sur la théorie des chambres réverbérantes. Compte tenu des faibles dimensions de l'environnement et de la proximité des antennes par rapport aux passagers, l'idée est de réduire l'énergie absorbée par ces derniers tout en maximisant celle-ci à la position d'un récepteur visé. Parmi les solutions possibles, le retournement temporel apparait comme une technique idéale pour répondre à ces objectifs. Cette technique permet en effet de focaliser temporellement et spatialement le signal électromagnétique au niveau du récepteur. Dans cette Thèse, une évaluation des performances du RT à l'intérieure d'une voiture est proposée. Cette étude nous a amenés à porter notre attention sur les propriétés spatiales de l'énergie totale portée par un signal utilisant le retournement temporel et, de ce fait, nous proposons un nouveau formalisme de la distribution spatiale de cette énergie. / Current vehicles still use wired links to interconnect the embedded electronic equipment. However, advances in wireless technologies permit to replace these links with wireless personal area networks. To enable this connectivity and to meet the future requirements, a solution that provides sufficient data rate must be developed. One technological candidate that can be used to meet the data rate requirements is Ultra-Wide Band. This thesis investigates the ultra-wideband propagation environment in intra-vehicular environments. In order to evaluate the performances of UWB inside a vehicle, channel models that accurately reproduce the intra-vehicular propagation characteristics are required. Because of obvious similarities, the proposed model is based on reverberation chamber theory. Given the small size of the environment and the proximity of the antennas to the passengers, one goal of intra-vehicular communications is to reduce the energy absorbed by the passengers while maximizing the energy at the position of the intended receiver. Among the possible solutions, Time Reversal appears to be the ideal technique to meet this objective. Time Reversal permits to spatially and temporally focus the electromagnetic signal at the receiver. In this thesis, a performance evaluation of Time Reversal inside a car is proposed. Moreover, a model of the spatial properties of the total energy of a signal using Time Reversal is proposed. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse porte sur le développement d'outils et de méthodes pour l'étude des systèmes de localisation Ultra Large Bande en milieu intérieur. Le travail de thèse a été mené pour partie dans le cadre du projet Européen FP7 WHERE2, portant sur la localisation coopérative dans les réseaux cellulaires. La thèse utilise pour sa partie validation des données obtenues dans le cadre de ce projet. La thèse comporte 4 grandes parties. Une première partie présente un outil de raytracing basé sur une description à base de graphes. Afin de pouvoir adresser les problématiques de simulation de la mobilité, l'outil introduit le concept nouveau de signature ainsi qu'un formalisme vectorisé permettant l'accélération du calcul du champ sur les rayons obtenus. Une seconde partie concerne les techniques de localisation utilisées en intérieur et propose une technique originale basée sur des approches ensemblistes. Cette technique est évaluée et comparée à des techniques alternatives comme le des moindres carrés pondérés ou le maximum de vraisemblance. Tirant partie des spécificités de la méthode précédente, une méthode basé sur un test d'hypothèse est décrite. Cette dernière propose d'exploiter les données de puissance reçue (largement disponible en pratique) pour lever les ambiguïtés multimodales dans les cas de carence d'observables précis. Une troisième partie présente 3 aspects de la plateforme dynamique. Tout d'abord un modèle de mobilité réaliste basé sur les «steering behaviors», puis la description sous forme de graphe du réseaux sans fils et enfin un protocole simplifié de communication inter agents. La quatrième partie exploite des données radio obtenues lors d'une campagne de mesure pour valider les différents étages de la plateforme et les algorithmes de localisation proposés. / This thesis focuses on the development of tools and methods dedicated for ultra wide band (UWB) localization systems in indoor environment. The thesis work was conducted within the European FP7 project Where2, about the cooperative localization in cellular networks. Data from a measurement campaign conduct during the project are used to validate the proposed algorithms. This thesis is divided in four parts : The first part is focused on the description of an original raytraing tool based on a graph description. In order to be compliant with the requirement of a mobile simulation, a new concept of rays signature enabling incremental computation, and a vectorized formalism for processing rays are described and implemented. The second part is focused on the indoor localization techniques, where a novel technique based on interval analysis approaches is presented and compared to alternative techniques. Advantageously using this approach, a specific processing based on an hypothesis testing method using received power observations to resolve ambiguities appearing in under determined localization problems is described. A third part describes different aspects of the dynamic platform. In particular a realistic mobility model based on ''steering behaviors'', a graph description of the network scene and an inter agents communication protocol are detailed. The fourth section uses measured data obtained from an heterogeneous measurement campaign to validate both the developed software platform and the proposed localization algorithms.

[ES] La población mundial en países desarrollados está envejeciendo y con ello existe un aumento de enfermedades en gran medida causadas por la edad. Las nuevas tecnologías médicas pueden ayudar a detectar, diagnosticar y tratar estas enfermedades y con ello ahorrar dinero, tiempo y recursos de los sistemas sanitarios. Las tecnologías inalámbricas implantables han abierto un nuevo panorama para la próxima generación de tecnologías médicas. Frecuencias como la Ultra Wide-Band (UWB) de 3.1 a 10.6 GHz están siendo consideradas para la nueva generación de dispositivos inalámbricos para dentro del cuerpo humano. Las características como el reducido tamaño de las antenas, la baja potencia de transmisión y la alta velocidad de datos son las más buscadas en este tipo de dispositivos. El problema surge porque el cuerpo humano depende de la frecuencia de modo que a mayores frecuencias, mayores son las pérdidas por propagación. Conociendo el canal de transmisión se puede solventar el problema de las altas pérdidas. Esta tesis tiene como objetivo caracterizar el canal de radio frecuencia (RF) para la nueva generación de dispositivos médicos implantables. Para caracterizar el canal se han empleado tres diferentes metodologías: simulaciones numéricas, medidas en phantom y experimentos en animales vivos. Las medidas en phantom fueron realizadas en un nuevo sistema de medidas expresamente disen¿ados para medidas de dentro a fuera del cuerpo humano en la banda de frecuencias UWB. Además, se utilizó un novedoso recipiente con dos capas de phantom imitando la zona gastrointestinal del cuerpo. Estos phantoms fueron creados para este tipo de medidas y son extremadamente precisos a las frecuencias UWB. Para los experimentos en animales se utilizaron cerdos y se intentó reproducir en ellos las medidas previamente realizadas en phantom. Las simulaciones software se realizaron con la intención de replicar ambas metodologías. Una vez realizados los experimentos se realizó un extensivo estudio del canal en dominio frecuencial y temporal. Mas en detalle, se compararon las antenas usadas en la recepción y transmisión, el efecto de la grasa en el canal, la formas del recipiente contenedor de phantom y las componentesmulticamino. Como resultado se ha propuesto un modelo de propagación del canal para la banda baja de las frecuencias UWB (3.1 -5.1 GHz) para la zona gastrointestinal del cuerpo humano. Este modelo de propagación ha sido validado utilizando las tres metodologías previamente descritas y comparada con otros estudios existentes en literatura. Finalmente, se midió el canal de propagación para una determinada aplicación a bajas frecuencias con señales UWB. También se realizaron medidas del canal de propagación en la zona cardíaca del cuerpo humano desde un punto de vista de seguridad de datos. Los resultados obtenidos en esta tesis confirman los beneficios que tendría la utilización de frecuencias UWB para las futuras generaciones de dispositivos médicos implantables. / [CA] La població mundial a països desenvolupats està envellint-se i enfrontant-se a un augment d'infermetats principalment causades per la edat. Les noves tecnologies mèdiques poden ajudar a detectar, diagnosticar i tractar aquestes malalties, estalviant diners, temps i recursos sanitaris. Els dispositius implantables sense fils han generat un nou panorama per a les noves generacions de dispositius mèdics. Les freqüències com la banda de UWB estan sent considerades per a les futures tecnologies implantables. La reduïda grandària de les antenes, la baixa potència de transmissió i les altes velocitats de dades son característiques buscades per als dispositius implantables. Per contra, els éssers humans depenen de la freqüència en el sentit que a majors freqüències, majors les pèrdues per propagació quan el senyal travessa el cos humà d'interior a exterior. Per solventar aquestes pèrdues el canal de propagació s'ha d'entendre i conèixer de la millor manera possible. Aquesta tesi doctoral te com a objectiu caracteritzar el canal de radio freqüència (RF) per a la nova generació de dispositius mèdics implantables. S'han emprat tres metodologies diferents per a realitzar aquesta caracterització: simulacions software, mesures amb fantomes i experiments amb animals vius. Els experiments amb fantomes es van realitzar a un sistema de mesures dissenyat expressament per a les transmissions de dins a fora del cos humà a les freqüències UWB. També es van utilitzar un contenidor per als fantomes de dues capes, imitant l'area gastrointestinal dels humans. Per als experiments a animals es van emprar porcs, replicant els experiments al laboratori en fantomes de la forma més semblant possible. Les simulacions software foren dissenyades per a imitar les experiments amb fantomes i animals. Després dels experiments el canal de propagació es va investigar exhaustivament des del domini freqüèncial i temporal. S'ha observat com les antenes en transmissió i recepció afecten al senyal, la influència de la grassa, la forma del contenidor de fantoma i les possibles contribucions multicamí. Finalment es proposa un nou model de propagació per a les baixes freqüències UWB (3.1 a 5.1 GHz) per a la zona GI del cos humà. El model es va validar utilitzant les tres metodologies abans esmentades i també foren comparades amb model ja existents a la literature. Finalment des d'un punt de vista aplicat, el canal es va avaluar per al senyal UWB a baixes freqüències (60 MHz). A més a més, per a la nova generació de marcapassos sense fil es va investigar el canal des d'un punt de vista de seguretat de dades. Els resultats obtinguts a aquesta tesi confirmen els avantatges d'emprar la banda de freqüències UWB per a la nova generació de dispositius médics implantables. / [EN] The current global population in developed countries is becoming older and facing an increase in diseases mainly caused by age. New medical technologies can help to detect, diagnose and treat illness, saving money, time, and resources of physicians. Wireless in-body devices opened a new scenario for the next generation of medical devices. Frequencies like the Ultra Wide-band (UWB) frequency band (3.1 - 10.6 GHz) are being considered for the next generation of in-body wireless devices. The small size of the antennas, the low power transmission, and the higher data rate are desirable characteristics for in-body devices. However, the human body is frequency ependent, which means higher losses of the radio frequency (RF) signal from in- to out-side the body as the frequency increases. To overcome this, the propagation channel has to be understood and known as much possible to process the signal accordingly. This dissertation aims to characterize the (RF) channel for the future of in-body medical devices. Three different methodologies have been used to characterize the channel: numerical simulations, phantom measurements, and living animals experiments. The phantom measurements were performed in a novel testbed designed for the purpose of in-body measurements at the UWB frequency band. Moreover, multi-layer high accurate phantoms mimicking the gastrointesintal (GI) area were employed. The animal experiments were conducted in living pigs, replicating in the fairest way as possible the phantom measurement campaigns. Lastly, the software simulations were designed to replicate the experimental measurements. An in-depth and detail analysis of the channel was performed in both, frequency and time domain. Concretely, the performance of the receiving and transmitting antennas, the effect of the fat, the shape of the phantom container, and the multipath components were evaluated. Finally, a novel path loss model was obtained for the low UWB frequency band (3.1 - 5.1 GHz) at GI scenarios. The model was validated using the three methodologies and compared with previous models in literature. Finally, from a practical case point of view, the channel was also evaluated for UWB signals at lower frequencies (60 MHz) for the GI area. In addition, for the next generation of leadless pacemakers the security link between the heart and an external device was also evaluated. The results obtained in this dissertation reaffirm the benefits of using the UWB frequency band for the next generation of wireless in-body medical devices. / Pérez Simbor, S. (2019). In-body to On-body Experimental UWB Channel Characterization for the Human Gastrointestinal Area [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/133034