Les réseaux de capteurs sans fil (WSN) ont attiré un grand intérêt dans la dernière décennie, et ont apporté des solutions dans un nombre croissant d’applications. Toutefois, certaines d’entre elles restent irréalisables en raison de forts points de blocage non résolus, comme un manque de synchronisation entre les prises de mesures, ainsi que des débits de données trop faibles. Ce travail apporte une solution à ces deux points majeurs via la conception d’un noeud communicant sans fil spécifique. Celle ci, basée sur la conception croisée, utilise les propriétés temporelles des modulations UltraLarge Bande (UWB) pour permettre une synchronisation très précise ainsi qu’un débit de données élevé. Notre démonstrateur ASIC basé sur ces travaux permet une précision de synchronisation de 2 ns pour une modulation IR-UWB sur une bande passante de 1,5 GHz. Cette thèse décrit le protocole de synchronisation WiDeCS et la conception de deux preuves de concept fonctionnelles sur FPGA et ASIC / Wireless Sensor Networks have attracted mutch interest in the last decade, opening a new range of applications such as large area monitoring. However, a range of possible applications is still not satisfied due to strong blocking points remaining unsolved such as the lack of synchronization between measurements and low attain- able data rates. This doctoral work aims at solving these two issues issue through the design of a Wireless Sensor node implementation. The proposed solution is based on cross-layer design and uses time-domain properties of UltraWide Band (UWB) to provide nanosecond-scale synchronization between nodes and high data- rate transmission. An ASIC implementation has been designed, and demonstrates a 2 ns synchronization error with IR-UWB modulation over a 1.5 GHz bandwidth. In this thesis, a cross-layer scheme named WiDeCS is proposed, and two proof of concept implementations are detailed.

Dans ce mémoire, nous concevons et générons des impulsions ultra large bande (UWB) qui exploitent efficacement le masque spectral de la "US Federal Communications Commission" (FCC). Une impulsion efficace améliore le rapport signal à bruit au récepteur en utilisant la majorité de la puissance disponible sous le masque spectral défini par la FCC, ce qui réduit la probabilité d'erreur. Pour trouver les formes d'onde efficaces, nous combinons plusieurs impulsions de type monocycle Gaussien séparées avec certains délais. Chaque monocycle Gaussien a une amplitude inconnue. Les amplitudes sont trouvées par un processus d'optimisation qui maximise la puissance de l'impulsion en respectant le masque spectral de la FCC sur toute la largeur de bande allouée aux communications UWB. Les impulsions efficaces sont réalisées par des filtres à réseaux de Bragg (FBG) dans le domaine optique. L'impulsion temporelle est écrite dans le domaine fréquentiel, et une fibre inonomode fait la conversion fréquence-à-temps. La forme d'onde est inscrite dans le domaine fréquentiel par un FBG. Un photo détecteur balancé élimine l'impulsion rectangulaire non-désirée qui est superposée à la forme d'onde désirée. Une excellente concordance entre les designs et les mesures est accomplie. Les formes d'ondes générées sont propagées entre des antennes à large bande. La réponse impulsionnelle non-idéale des antennes dégrade l'impulsion désirée, ce qui réduit l'efficacité. Nous mesurons la réponse impulsionnelle de l'antenne et l'utilisons dans le processus d'optimisation pour concevoir une forme d'onde efficace adaptée à la réponse de l'antenne. Comme avant, cette forme d'onde est générée avec un FBG. Les résultats expérimentaux montrent une excellente concordance avec la théorie et une amélioration significative de l'efficacité de puissance.

La communication ultra large bande (UWB) a attiré une énorme quantité de recherches ces dernières années, surtout après la présentation du masque spectral de US Federal Communications Commission (FCC). Les impulsions ultra-courtes permettent de très hauts débits de faible puissance tout en éliminant les interférences avec les systèmes existants à bande étroite. La faible puissance, cependant, limite la portée de propagation des radios UWB à quelques mètres pour la transmission sans fil à l’intérieur d’une pièce. En outre, des signaux UWB reçu sont étendus dans le temps en raison de la propagation par trajet multiple qui résulte en beaucoup d’interférence inter-symbole (ISI) à haut débit. Le monocycle Gaussien, l’impulsion la plus commune dans UWB, a une mauvaise couverture sous le masque de la FCC. Dans cette thèse, nous démontrons des transmet- teurs qui sont capables de générer des impulsions UWB avec une efficacité de puissance élevée. Une impulsion efficace résulte dans un rapport de signal à bruit (SNR) supérieur au récepteur en utilisant plus de la puissance disponible sous le masque spectral de la FCC. On produit les impulsions dans le domaine optique et utilise la fibre optique pour les transporter sur plusieurs kilomètres pour la distribution dans un réseau optique pas- sif. La fibre optique est très fiable pour le transport des signaux radio avec une faible consommation de puissance. On utilise les éléments simples comme un modulateur Mach-Zehnder ou un résonateur en anneau pour générer des impulsions, ce qui permet l’intégration dans le silicium. Compatible avec la technologie CMOS, la photonique sur silicium a un potentiel énorme pour abaisser le coût et l’encombrement des systèmes optiques. La photodétection convertit les impulsions optiques en impulsions électriques avant la transmission sur l’antenne du côté de l’utilisateur. La réponse fréquentielle de l’antenne déforme la forme d’onde de l’impulsion UWB. Nous proposons une technique d’optimisation non-linéaire qui prend en compte la distorsion d’antenne pour trouver des impulsions qui maximisent la puissance transmise, en respectant le masque spectral de la FCC. Nous travaillons avec trois antennes et concevons une impulsion unique pour chacune d’entre elle. L’amélioration de l’énergie des impulsions UWB améliore directement la SNR au récepteur. Les résultats de simulation montrent que les impulsions optimisées améliorent considérablement le taux d’erreur (BER) par rapport au monocycle Gaussien sous propagation par trajet multiple. Notre autre contribution est l’évaluation d’un filtre adapté pour recevoir efficacement des impulsions UWB. Le filtre adapté est synthétisé et fabriqué en technologie microstrip, en collaboration avec l’Université McGill comme un dispositif de bande interdite électromagnétique. La réponse fréquentielle du filtre adapté montre une ex- cellente concordance avec le spectre ciblé de l’impulsion UWB. Les mesures de BER confirment la performance supérieure du filtre adapté par rapport à un récepteur à conversion directe. Le canal UWB est très riche en trajet multiple conduisant à l’ISI à haut débit. Notre dernière contribution est l’étude de performance des récepteurs en simulant un système avec des conditions de canaux réalistes. Les résultats de la simulation montrent que la performance d’un tel système se dégrade de façon significative pour les hauts débits. Afin de compenser la forte ISI dans les taux de transfert de données en Gb/s, nous étudions l’algorithme de Viterbi (VA) avec un nombre limité d’états et un égaliseur DFE (decision feedback equalizer). Nous examinons le nombre d’états requis dans le VA, et le nombre de coefficients du filtre dans le DFE pour une transmission fiable de UWB en Gb/s dans les canaux en ligne de vue. L’évaluation par simulation de BER confirme que l’égalisation améliore considérablement les performances par rapport à la détection de symbole. La DFE a une meilleure performance par rapport à la VA en utilisant une complexité comparable. La DFE peut couvrir une plus grande mémoire de canal avec un niveau de complexité relativement réduit. / Ultra-wideband (UWB) communication has attracted an enormous amount of research in recent years, especially after the introduction of the US Federal Communications Commission (FCC) spectral mask. Ultra-short pulses allow for very high bit-rates while low power eliminates interference with existing narrowband systems. Low power, however, limits the propagation range of UWB radios to a few meters for indoors wireless transmission. Furthermore, received UWB signals are spread in time because of multipath propagation which results in high intersymbol interference at high data rates. Gaussian monocycle, the most commonly employed UWB pulse, has poor coverage under the FCC mask. In this thesis we demonstrate transmitters capable of generating UWB pulses with high power efficiency at Gb/s bit-rates. An efficient pulse results in higher signal-to-noise ratio (SNR) at the receiver by utilizing most of the available power under the FCC spectral mask. We generate the pulses in the optical domain and use optical fiber to transport the pulses over several kilometers for distribution in a passive optical network. Optical fiber is very reliable for transporting radio signals with low power consumption. We use simple elements such as a Mach Zehnder modulator or a ring resonator for pulse shaping, allowing for integration in silicon. Being compatible with CMOS technology, silicon photonics has huge potential for lowering the cost and bulkiness of optical systems. Photodetection converts the pulses to the electrical domain before antenna transmission at the user side. The frequency response of UWB antennas distorts the UWB waveforms. We pro- pose a nonlinear optimization technique which takes into account antenna distortion to find pulses that maximize the transmitted power, while respecting the FCC spectral mask. We consider three antennas and design a unique pulse for each. The energy improvement in UWB pulses directly improves the receiver SNR. Simulation results show that optimized pulses have a significant bit error rate (BER) performance improvement compared to the Gaussian monocycle under multipath propagation. Our other contribution is evaluating a matched filter to receive efficiently designed UWB pulses. The matched filter is synthesized and fabricated in microstrip technology in collaboration with McGill University as an electromagnetic bandgap device. The frequency response of the matched filter shows close agreement with the target UWB pulse spectrum. BER measurements confirm superior performance of the matched filter compared to a direct conversion receiver. The UWB channel is very rich in multipath leading to ISI at high bit rates. Our last contribution is investigating the performance of receivers by simulating a system employing realistic channel conditions. Simulation results show that the performance of such system degrades significantly for high data rates. To compensate the severe ISI at gigabit rates, we investigate the Viterbi algorithm (VA) with a limited number of states and the decision feedback equalizer (DFE). We examine the required number of states in the VA, and the number of taps in the DFE for reliable Gb/s UWB trans- mission for line-of-sight channels. Non-line-of-sight channels were also investigated at lower speeds. BER simulations confirm that equalization considerably improves the performance compared to symbol detection. The DFE results in better performance compared to the VA when using comparable complexity as the DFE can cover greater channel memory with a relatively low complexity level.

Dans ce mémoire, nous analysons les critères qu'une source laser doit rencontrer pour être utilisée dans la génération d'impulsions UWB. L'écriture de la forme des impulsions est faite dans le domaine fréquentiel à l'aide de réseaux de Bragg (FBGs) et la conversion au domaine temporel se produit suite à la propagation à travers un milieu dispersif, dans ce cas une fibre monomode. Cette technique permet le contrôle précis de la forme des impulsions au détriment de la complexité et d'un coût élevé provenant du laser à fibre mode-locked. Dans ce mémoire, d'autres sources possibles basées principalement sur des lasers à semi-conducteurs sont examinées et analysées. La modulation directe de lasers à réflecteur distribué fournit des impulsions courtes mais il faut optimiser les conditions d'opération afin d'obtenir un spectre en fréquence étendu et assez uniforme. Cela constitue l'objectif principal de ce mémoire. Deux solutions ont été étudiées. D'abord, un laser à réflecteur distribué de 10 GHz de modulation dans un régime de commutation de gain (gain switched, GS-DFB) a été caractérisé en détail et son point d'opération a été optimisé afin de répondre aux exigences. La source puisée a été intégrée au sein de l'émetteur UWB et des impulsions UltraWideBand (UWB) à 1 GHz de taux de répétition ont été générées. La deuxième option est composée de deux lasers GS-DFB de 2.5 GHz de modulation. Les positions temporelles des impulsions générées par les deux lasers sont contrôlées pour réduire le bruit au détecteur et les réponses fréquentielles sont ajustées pour être adjacentes de telle façon que la bande passante totale utilisable s'en trouve doublée. Une façon simple de mesurer la phase d'impulsions optiques a été développée et vérifiée. Les impulsions de lasers GS-DFB présentent un glissement en fréquence principalement linéaire et elles peuvent être compressées de façon efficace. Cependant puisque la conversion fréquence-à-temps exige des impulsions fortement dispersées, la compression d'impulsion n'améliore pas la performance globale du système UWB et n'est donc pas nécessaire.

Le jour n'est peut-être pas très loin où une mine pourra compter sur un système de communication sans fil pour échanger des données, transmettre des informations ou localiser des travailleurs dans le cas d'une activité normale ou en cas d'urgence. Au point de vue de la sécurité, un système de communications sans fil aurait l'avantage de localiser en temps réel un travailleur ou un engin. Les travailleurs se déplacent sans cesse dans une mine. Avec une technologie sans fil permanente, on pourrait localiser les personnes de manière relativement précise. Même en cas d'éboulement, avec une technologie adaptée, il serait possible de savoir où se trouve la personne en détresse. Notre travail de recherche s'inscrit dans la perspective du développement d'un réseau de capteurs ultra large bande (UWB) pour deux applications : l'aide à la radiolocalisation et l'extension du réseau de capteurs sans fil dans la mine. Cette étude est focalisée sur trois aspects. La première partie de notre étude consiste à étudier tous les problèmes reliés à la radiolocalisation dans la mine. Vue l'importance de cette application, nous avons mis en oeuvre un réseau de capteurs en tenant compte d'un futur déploiement dans la mine. La technologie utilisée repose sur la technologie ultra large bande. Comme il n'existe pas de travaux qui traitent ce genre de problèmes, nous avons commencé notre étude par une caractérisation du canal UWB dans les mines souterraines. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs campagnes de mesure sur site (mine expérimentale) ont été menées. Nous sommes parvenus à une modélisation du canal de propagation et à avancer des recommandations pour aider au dimensionnement d'un réseau de capteurs dans ce type d'environnement. Dans la première partie, le but est d'étudier le problème de radiolocalisation avec les réseaux de capteurs. Notre scénario proposé serait de placer des capteurs sur chaque agent (mineur, engin). On suppose que chaque noeud (agent) qui circule à travers un réseau d'ancre maillé (déjà déployé), va extraire des informations de distance (en utilisant le critère de temps d'arrivée), ensuite il va utiliser un algorithme de positionnement distribué afin de déterminer sa propre position. Lors de cette partie nous avons aussi étudié quelques estimateurs cohérents et non-cohérents du temps d'arrivée. La caractérisation de l'erreur de mesure utilisant le temps d'arrivée dans un environnement minier a été aussi évaluée. Enfin, dans la dernière partie, nous avons analysé par simulations un déploiement d'un réseau de capteurs UWB ad hoc dans la mine. Nous avons choisi d'adopter une approche théorique afin d'évaluer les performances de cette configuration. Une conception intercouche pour un routage optimal a été étudiée. Nous avons utilisé la couche physique/réseau afin de minimiser l'énergie consommée lors de l'acheminement du données.

Un développement technologique rapide dans le domaine de télécommunication, qu'il s'agisse de la téléphonie mobile, des réseaux sans fils, de la télévision par satellites, ou des applications radar (civiles ou militaires)...etc. est observé. Cet essor considérable a engendré d'énormes besoins et entraîne une évolution technologique majeure au niveau des antennes. Ces dernières doivent faire face aux différentes exigences, à savoir l'augmentation du gain, l'élargissement de la bande passante… et aux différents problèmes existant, à savoir le coût, l’encombrement…etc. Notre objectif est donc de concevoir des topologies d’antennes simples, à faible encombrement et à gain relativement élevé avec un fonctionnement multibande et/ou ultra large bande. Pour cela nous nous sommes orientés vers des antennes à résonateur diélectrique (ARD) dans les bandes UHF et SHF. Récemment, elles ont fait l’objet de plusieurs recherches et ont acquis un grand intérêt du monde académique et industriel. Les ARDs, par leurs simples et diverses géométries, peuvent être alimentées par différentes usuelles techniques. En outre, leurs tailles peuvent être plus petites que leurs homologues à savoir les antennes imprimées. Une première partie de ce travail s’est concentré sur l’étude des ARDs de forme cylindrique, puis une validation de l’outil de simulation par comparaison avec la mesure. En vue d’une utilisation multistandards, d’un élargissement des bandes de fonctionnement ou d’une modification de la fréquence, une seconde partie a été consacrée à l’étude de nouvelles topologies de résonateurs basées sur un empilement vertical et radial de deux cylindres, une topologie en multicouche et en anneau. Les résultats obtenus trouvent leurs applications dans le GSM900-DSC1800, UMTS, WIFI… / A fast technological development in the telecommunications domain, as mobile telephony, wireless networks, TV over Satellite, Radar Applications (civil or military)…etc, is observed. This considerable growth has led to enormous needs and caused a major technological evolution in antennas. These have to face different needs such as gain improvement, bandwidth enlargement, and different existing problems, such as cost and overcrowding…etc. Though, our goal is to design antenna topologies that are simple, having Low overcrowding and relatively with high gain operating in multiband and/or ultra large. To achieve this we headed to Dielectric Resonator Antennas (DRA) in UHF and SHF bands. Recently they have been the subject of several studies and have gained great interest from both academic and industrial sectors. Due to their diverse and simple geometries, they can be fed with different usual techniques. Furthermore, they can be smaller than patch antennas. The first part of this work has focused on the study of cylindrical DRAs, and then a validation of the simulating tool has been done after comparison with measurement results. For a multi-standard utilization, enlargement antennas’ operating bands, to have bi-band behaviour, get a modification of the resonant frequency and also a reduction of the overcrowding, the second part is dedicated to the study of new resonator topologies based on a vertical and radial stack of two cylinders, and then a multilayer and ring topologies. The obtained results found their applications in GSM900-DCS1800-UMTS-WiFi…