Conception et validation d’un nouvel outil d’évaluation de la stabilité posturale en position érigée(SAP3D : Système d’Analyse Postural 3D)La stabilité posturale en position debout est la capacité d'un sujet à maintenir un état d'équilibre ou à le retrouver en cas de perturbation. De nombreux organes sont mis à contribution par le système nerveux central afin d'aider l'organisme à maintenir sa stabilité. L'atteinte d'une ou plusieurs de ces structures (suite à un traumatisme, une pathologie, ou tout simplement du fait du vieillissement) modifie le comportement du sujet et altèrent sa capacité à maintenir sa stabilité. Les outils d’évaluation posturale actuels reposent essentiellement sur des mesures du centre des pressions et/ou du centre de masse, négligeant le comportement postural inter-segmentaire : les outils capables de les prendre en compte sont souvent inaccessibles, car complexes et coûteux. Le SAP3D a été développé comme un nouvel outil d’évaluation de la stabilité posturale, il permet une reconstruction tridimensionnelle multi-segmentaire et du centre de masse à partir d’une seule caméra bon marché. La validation du SAP3D comparativement à un système de référence optoélectronique met en évidence une excellente corrélation et un faible résidu moyen entre les deux systèmes. En situation clinique, le SAP3D confirme que les mécanismes de stabilisation posturale sont i) moins efficaces en condition yeux fermés ; ii) influencés négativement par le vieillissement ; iii) influencés positivement par la pratique régulière d’une activité telle que de la danse, au moins chez les jeunes femmes ; iv) altérés par plusieurs antécédents traumatiques et/ou pathologiques. Bien que des améliorations techniques soient envisagées, le SAP3D constitue une alternative clinique fiable, rapide, accessible et peu coûteuse aux systèmes d'analyse posturographique existants.Mots-clés : équilibre ; contrôle moteur ; analyse cinématique ; centre de masse ; personnes âgées ; vieillissement ; danse ; faible coût / Design and validation of a new tool for assessing postural stability in quiet standing(SAP3D: 3D Postural Analysis System)Postural stability in quiet standing is a subject’s ability to maintain its balance or to regain it after a perturbation. Multiple organs contribute to ensure postural stability, under a regulation ensured by the central nervous system. The alteration of one or several of these organs (following a trauma, a pathology or simply due to ageing) modifies the subject’s behavior and its ability to maintain stability. Current systems for postural evaluation rely mostly on center of pressure and/or center of mass assessment, disregarding the intersegmental postural behavior: such measurements are possible, but most tools are complex and expensive. The SAP3D system was developed as a new tool for postural stability assessment, allowing for center of mass and multi-segmental three dimensional modeling based on a single inexpensive camera. Validation of the SAP3D system compared to a standard optoelectronic system shows excellent agreement and a satisfyingly low average residue between the two systems. In a clinical setup, the SAP3D system confirms that postural steadiness mechanisms are i) less efficient with eyes closed than eyes opened; ii) negatively affected by ageing; iii) positively affected by regular practice of an activity such as dancing, at least for young women; iv) altered in pathological or injured patients. Although many technical improvements are being considered, the SAP3D system is a reliable, quick, accessible and low-cost clinical alternative to the existing systems for postural evaluation.Keywords: balance; steadiness; motor control; kinematics; center of mass; elderly; ageing; dance; low-cost

L’électronique organique connaît depuis ces dernières années un fort développement. Le CEA LITEN dispose d’une technologie d’impression par sérigraphie de transistors de type N et de type P sur une même plaque, permettant de créer des circuits complémentaires. Les performances et les limitations de cette technologie ont été étudiées, l’un des objectifs principaux de cette thèse étant de réaliser une étude concernant la faisabilité d’une étiquette RFID entièrement réalisée en technologie organique imprimée. Une telle étiquette, en plus d’être flexible, possèderait un coût de fabrication extrêmement bas.Des blocs entiers couramment utilisés dans les circuits RFID et comportant jusqu’à 50 transistors sont conçus et testés, montrant des performances supérieures ou au niveau de l’état de l’art dans ce domaine. La technologie organique imprimée n’étant pas aussi mature que celle utilisée dans la filière semi-conductrice classique, une étude est également menée concernant les effets de la dispersion du procédé de fabrication et du vieillissement sur les performances des circuits. Des pistes seront ainsi définies sur les paramètres (fiabilité, mobilité dans les semi-conducteurs organiques, taille des dispositifs…) à améliorer pour permettre à l’électronique organique de venir concurrencer l’industrie du silicium. / During the past few years, the field of organic electronics has known an important development. The CEA LITEN is able to manufacture N-type and P-type screen-printed transistors on a same plastic sheet, enabling the design of complementary circuits. The performances and limitations of this technology are studied since one of this thesis’ main objectives is to determine the feasibility of a fully-printed organic RFID tag. Such a tag would be flexible and could be manufactured at an extremely low-cost. Some circuits commonly used in the RFID tags, and using up to 50 transistors, are designed and tested, showing some performances equivalent or above the reported latest developments. The organic electronics manufacturing process is not as mature as the one used in the classical silicon industry. Therefore, a study is performed concerning the effects of this process scattering, as well as the ageing, on the circuits’ performances. The main improvements (in terms of reliability, organic semi-conductor mobility, size) that can help the organic electronics in order to compete, one day, with the silicon industry, are discussed.

La compression, nécessaire à la transmission des images numériques diffusées sur les télévisions, est responsable de dégradations appelées artefacts. Pour obtenir des images de meilleure qualité, la correction des artefacts doit être efficace, robuste au large panel dimages diffusées, et simple pour que ces images soient traitées en temps réel avant leur diffusion. Pour obtenir ce compromis, notre étude se divise en 3 axes : l'estimation, la mesure et la correction.<br />En estimant quels sont les artefacts les plus gênants et les risques encourus à les corriger, nous définissons la problématique de ce travail : comment corriger les effets de bloc et de ringing qui sont des artefacts de compression sans risquer de faire apparaître un artefact de correction tel que le flou ?<br />Les métriques objectives, validées par des tests subjectifs, permettent de mesurer ces artefacts. L'étude de l'état de l'art, associée à la modélisation de notre manière de percevoir ces artefacts, nous permet d'aboutir au développement du BLE (Block Level Estimator) et du BluM (Blur Metric), métriques objectives destinées à estimer respectivement leffet de bloc et le flou sur une image. <br />La correction de l'effet de bloc et de l'effet de ringing peut ensuite être guidée et validée par ces métriques. Nous proposons des modules permettant d'améliorer, de rendre plus robustes et d'implémenter facilement les corrections existantes. Puis, pour résoudre la problématique, nous intégrons ces modules dans une solution générale appelée SQDSE (Studio Quality Digital Source Enhancement) destinée à supprimer les effets de bloc et de ringing. La structure du SQDSE et sa validation par des tests visuels et par les résultats du BLE et du BluM montrent que le compromis entre l'efficacité, la robustesse et la simplicité est atteint.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet collaboratif FUI RFID AERO dont le leader est Eurocopter. Le but de ce projet est le développement d'un système assurant la traçabilité des différentes pièces d'un aéronef. Cette thèse se focalise sur la conception d'antennes lecteur et de tags RFID UHF faible coût.Deux objectifs sont visés dans le cadre de cette thèse. Le premier est la conception d'antennes pour lecteurs RFID fonctionnant en contact ou à proximité des surfaces métalliques. Nos conceptions sont basées d'une part sur les phénomènes d'ondes constructives en plaçant une surface métallique à un quart de la longueur d'onde. D'une autre part, la conception repose sur l'utilisation de structures AMC. De plus, nous proposons une méthode de réduction de dimensions de cellules AMC. Le second objectif de la thèse est la miniaturisation de tags pour l'identification de pièces essentiellement métalliques. Nous proposons des méthodes de conception de tags miniatures durcis, non détachables ou flexibles ainsi qu'un prototype pour chacune d'entre elles.Enfin, les antennes lecteur et tags développés dans cette thèse, les lecteurs RFID et des systèmes connexes développées par d'autres partenaires ont été mis en œuvre dans un aéronef. Les tests du système complet sont satisfaisants et répond aux objectifs du projet. / This Ph.D thesis is part of the FUI RFID AERO project led by Eurocopter. The aim of this project is to provide a traceability system of the aircraft items. This work focuses on low-cost UHF RFID reader antennas and tags design.Two research axes are developed. The first one is the RFID reader antennas design for metallic surfaces. The designs are based on constructive wave phenomenon by placing a metallic plate at a quarter wavelength of the radiating element. On the other hand, the insertion of AMC structures was also studied. Furthermore, we propose a size reduction technique for AMC structures. The second goal is tag size miniaturization for metallic or non-metallic objects identification. We propose design methods of size miniaturization for hard or flexible tags. Besides, we apply these methods by designing one tag for each family.Finally, the reader antennas and tags proposed in this thesis, the RFID readers and the related systems developed by the others partners were implemented into an aircraft. Tests of the complete system are in good agreement with the expected goals.

La théorie de l'information développée par Claude Shannon (1916 - 2001) met en évidence le fait que pour accroître la capacité d'un canal de transmission, il est préférable d'élargir la bande de fréquences sur laquelle les informations sont émises plutôt que les puissances d'émissions. Cette constatation est le point de départ de nombreux travaux de recherche sur les communications Ultra-Large Bande (ULB) qui ont abouti en 2002 à la création aux Etats-Unis d'une bande fréquence dîtes ULB où aucun mode de communication n'est privilégié. C'est ainsi que 2 années plus tard ont débuté à l'IM2NP des travaux portant sur les communications ULB impulsionnelles, et notamment la conception d'amplificateur faible bruit, de détecteur d'énergie, mais également de générateurs d'impulsions qui est l'élément clé des émetteurs impulsionnels. Ces derniers constituent la base des travaux présentés dans le manuscrit qui se sont déroulés de 2008 à 2011. La nature discontinue des communications impulsionnelles a tout d'abord impliquée l'introduction de nouvelles figures de mérite permettant de mesurer les performances des générateurs d'impulsions. Ensuite, il est question de méthodes de conception permettant de dimensionner des structures fonctionnant aux fréquences en jeu mais également d'en réduire les consommations statiques principalement de fuite, et ce en vue de répondre aux contraintes de consommation des systèmes embarqués. Enfin sont développées 3 architectures de générateurs d'impulsions, chacune permettant de répondre à des contraintes différentes en termes de bande de fréquences, de consommation et de portée. / The information theory developed by Claude Shannon (1916 - 2001) highlights the fact that in order to increase the capacity of a transmission channel, it is preferable to extend the bandwidth used rather than the transmission power. This finding is the starting point of many papers on Ultra-Wideband (UWB) which led to the creation in the United States of UWB band since 2002 where no modulation is privileged. Two years later, many works on Impulsionnal Radio UWB (IR-UWB) communications began at IM2NP including the design of low noise amplifier, power detector, but also pulse generators which is the key element of IR-UWB emitters. These form basis of works presented in the manuscript that took place from 2008 to 2011. The discontinuous nature of communications impulse was first implied the introduction of new figures of merit for measuring performances of pulse generators. Then it deals with design techniques for sizing structures operating at frequencies involved, but also to reduce consumption and especially static leakage to reduce enough power consumption for embedded systems. Finally three architectures of pulse generators are developed, each one responding to different constraints in terms of frequency, consumption and range.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet collaboratif FUI VEADISTA. Le but de ce projet est le développement d’une solution technologique à bas coût pour la veille à distance de personnes fragiles. Cette thèse se focalise sur la conception d’antennes lecteur et d’une étiquette RFID UHF posée sur le corps humain. Deux objectifs principaux sont visés dans ces travaux de thèse. Le premier aborde la conception d’antennes pour lecteurs RFID, le second aborde la conception d’une antenne large bande, pour une étiquette RFID, adaptée au corps humain. Les objectifs à atteindre pour l’antenne lecteur sont : un champ rayonné à polarisation circulaire, un gain élevé, faible coût de fabrication et faible épaisseur. Pour atteindre ces objectifs, une topologie d’anneau fente miniaturisé par une méthode itérative de repliement d’anneau associée à un réflecteur incluant un AMC à cellules élémentaires réduites sont employés. Le second objectif de la thèse est la conception d’une antenne large bande, pour une étiquette RFID, capable de minimiser l’influence du corps humain sans sacrifier la distance de lecture tout en restant faible coût. Un modèle électromagnétique d’avant-bras humain est utilisé comme support de conception de l’antenne tag large bande. Enfin le système RFID complet incluant, l’étiquette, l’antenne lecteur et le lecteur RFID ont fait l’objet de tests fonctionnels pour préparer les tests cliniques sur patient. / This thesis was initiated within the VEADISTA project. The main goal of this project was to develop a cost effective technological remote care system for fragile person. The main focus of this thesis is on antenna design for RFID reader and also for RFID tags in contact with human body. For the reader antenna the criteria are: a circularly polarized radiated field, high gain, cost effectiveness and small thickness. To achieve these objectives, a miniaturized slot ring topology obtained by an iterative method of ring folding associated with a reflector including a reduced unit cells AMC are used. For the tag the objective is to design a broadband antenna, by minimizing the influence of human body without affecting the reading scope. The tag is needed to also be cost effective. An electromagnetic model of human forearm is used as the broadband tag antenna design support. Ultimately, the functionality of the complete system including a tag and a reader have been tested.

Le secteur des communications sans fil a connu un essor considérable, soutenu par l’évolution des "smartphones" et par le développement des réseaux de capteurs sans fil et de l’Internet des Objets (connu en anglais sous le nom ‘IoT’ pour Internet of Things). Les applications actuelles visent l’autonomie énergétique des objets communicants et nécessitent la conception de circuits intégrés pouvant assurer à la fois un fonctionnement à hautes performances et à moindre coût. L’une des principales fonctions des systèmes de communications radiofréquences (RF) est la génération de fréquence, assurée par l’oscillateur. De nombreux efforts de conception sont ainsi nécessaires afin d’assurer les performances requises par les nouvelles applications sans fil. Nos travaux de recherche ont pour objectif de proposer une méthode de conception d’oscillateurs agiles à faible consommation au sein des systèmes d’émission-réception RF. Le travail s’est focalisé sur l’étude et l’optimisation des éléments constitutifs d’un oscillateur LC passif en technologie CMOS et sur la proposition d’une méthode de conception. La méthode proposée peut être exploitée pour différentes structures d’oscillateurs afin d’optimiser leurs performances essentiellement en termes de consommation de puissance et de bruit de phase. Cette méthode a été appliquée pour implémenter plusieurs VCOs en technologie CMOS. Une série de mesure sous pointes a permis de valider leur fonctionnement. La suite de ce travail de thèse est consacrée à la proposition d’une nouvelle topologie d’oscillateur LC reconfigurable à base d’inductance active dédiée aux applications multistandards faible coût / The rapid growth of the Internet of Things (IoT) applications and the wireless sensor networks boosts the need for low cost and low power radiofrequency (RF) transceivers. The voltage-controlled oscillator (VCO) is an essential building block of several RF transceivers. Design tradeoffs have been very stringent in terms of power consumption, phase-noise, area and tuning range. In this context, the aim of this work is to propose a design method, aiming to optimize the VCO design and to improve its performances essentially in terms of power consumption and phase noise.The first part of this thesis sets a study of the elements of passive LC oscillators in CMOS technology. The second part presents a complete design method, aiming to optimize the LC-VCO performance regarding the phase noise and power consumption. The evaluation of the proposed method is carried out with some test-cases in full CMOS technology. Many RF LC-VCOs have been implemented and measured. The final part of this thesis presents a new tunable VCO suitable for multi-standards applications. The frequency tuning of the VCO is ensured using an active inductor based on CMOS inverters. The desired bandwidth can be selected while achieving low surface area and low power consumption.

Le repérage (localisation topologique) des capteurs dans un réseau sans fil ouvre la porte à de nombreuses applications. Les techniques actuelles basées sur la puissance du signal reçu restent peu fiable compte-tenu de la stabilité des mesures dans le circuit. Des techniques plus précises inspirées des radars ont été proposées mais cela nécessite un type de radio adaptée qui s'avère trop couteuse, autant en termes d'implémentation qu'en termes de consommation électrique. Cependant, une des difficultés majeure de l'adaptation de ces techniques de localisation aux réseaux de capteurs sans fil reste leur inadéquation avec leur faible coût de réalisation et la faible consommation électrique requise pour ces dispositifs autonomes. En particulier, les étages radio et de génération d'horloge des modems ZigBee introduisent une grande incertitude sur la fiabilité des mesures. Les algorithmes digitaux très complexes demandent à être tout particulièrement étudiés et améliorés afin de ne pas dépasser un budget de consommation extrêmement réduit tout en tentant d'atteindre une complexité d'implémentation aussi faible que possible.Les travaux de cette thèse se concentrent sur 2 principaux objectifs: l'élaboration d'un circuit digital étant capable de calculer de temps d'arrivée en temps réel, et l'élaboration de prototypes permettant le positionnement d'un noeud. La principale contrainte, est l'utilisation d'un seul canal ZigBee de la norme 802.15.4. Ce travail a permi d'appréhender les problèmes liés à la mesure de distance et envisager l'adaptation de ces techniques aux contraintes spécifiques des réseaux de capteurs sans fil et du type de radio utilisée. / Tracking sensors in a wireless network leads to many applications. However, current techniques based on the received signal strength are unreliable given the stability of measurements. More accurate techniques inspired from radars have been proposed but they require an expensive radio. However, one of the most difficult aspects regarding the localization in a wireless sensor network remains their inadequacy with their low-cost and low-power characteristics. For example, clock generation of ZigBee modems introduce strong uncertainties regarding the reliability of measurements. Demanding digital algorithms must be carefully studied and improved in order not to exceed requirements defined by industrials. In other words, the purpose is to design an implementation as cheap as possible while keeping a minimum accuracy. The work of this thesis focuses on two main objectives: the development of a digital circuit capable of calculating time of arrivals, and the development of prototypes for a future positioning feature. The main constraint is the use of a single channel from the ZigBee 802.15.4 standard. This work enabled to understand issues regarding the distance measurements and adapt them given wireless sensor network constraints.

Dans cette thèse, nous démontrons des travaux sur la synthèse à faible coût des matériaux de cathode et l'anode pour les piles lithium-ion. Pour les cathodes, nous avons utilisé des précurseurs à faible coût pour préparer LiFePO4 et LiFe0.3Mn0.7PO4 en utilisant une méthode hydrothermale. Tout d'abord, des matériaux composites (LiFePO4/C) ont été synthétisés à partir d'un précurseur de Fe2O3 par une procédé hydrothermique pour faire LiFePO4(OH) dans une première étape suivie d'une calcination rapide pour le revêtement de carbone. Deuxièmement, LiFePO4 avec une bonne cristallinité et une grande pureté a été synthétisé en une seule étape, avec Fe2O3 par voie hydrothermale. Troisièmement, LiFe0.3Mn0.7PO4 a été préparé en utilisant Fe2O3 et MnO comme des précurseurs de bas coûts au sein d'une méthode hydrothermale synthétique. Pour les matériaux d'anode, nous avons nos efforts concentré sur un matériau d'anode à faible coût α-Fe2O3 avec deux types de synthèse hydrothermales, une a base de micro-ondes (MAH) l’autre plus conventionnelles (CH). La nouveauté de cette thèse est que pour la première fois le LiFePO4 a été préparé par une méthode hydrothermale en utilisant un précurseur Fe3+ (Fe2O3). Le Fe2O3 est un précurseur à faible coût et en combinant ses coûts avec les conditions de synthèse à basse température nous avons réalisé une réduction considérable des coûts de production pour le LiFePO4, menant ainsi à une meilleure commercialisation du LiFePO4 comme matériaux de cathode dans les piles lithium-ion. Par cette méthode de préparation, le LiFePO4/C procure une capacité de décharge et une stabilité de cycle accrue par rapport une synthétisation par la méthode à l'état solide pour les mêmes précurseurs Les résultats sont résumés dans deux articles qui ont été récemment soumis dans des revues scientifiques. / In this thesis, low cost syntheses of cathode and anode materials for lithium ion batteries will be presented. For cathode materials, low cost precursors were used to prepare LiFePO4 and LiFe0.3Mn0.7PO4 using low temperature hydrothermal method. Initially, a LiFePO4/C composite material was synthesized from a Fe2O3 precursor using a hydrothermal method to prepare LiFePO4(OH) in a first step followed by a fast calcination and carbon coating. Secondly, LiFePO4 with good crystallinity and high purity was synthesized, in one step, with nanometric sized Fe2O3 by a hydrothermal method. Thirdly, LiFe0.3Mn0.7PO4 was prepared using low cost Fe2O3 and MnO as precursors within a hydrothermal synthetic method. For anode materials, a low cost anode material α-Fe2O3 was prepared using two hydrothermal synthetic methods, microwave assisted (MAH) and conventional hydrothermal (CH). The novelty of the thesis is for the first time LiFePO4 has been prepared using a low cost Fe3+ precursor (Fe2O3) by a hydrothermal method. Low cost precursors and low temperature synthesis conditions will greatly reduce the synthetic cost of LiFePO4, leading to greater commercialization of LiFePO4 as a cathode materials for lithium-ion batteries. The as-prepared LiFePO4/C product provided enhanced discharge capacity and cycling stability compared to that synthesized using a solid state method with the same precursors. The results were summarized within two articles that were recently submitted to peer reviewed scientific journals.

Dans cette thèse, nous démontrons des travaux sur la synthèse à faible coût des matériaux de cathode et l'anode pour les piles lithium-ion. Pour les cathodes, nous avons utilisé des précurseurs à faible coût pour préparer LiFePO4 et LiFe0.3Mn0.7PO4 en utilisant une méthode hydrothermale. Tout d'abord, des matériaux composites (LiFePO4/C) ont été synthétisés à partir d'un précurseur de Fe2O3 par une procédé hydrothermique pour faire LiFePO4(OH) dans une première étape suivie d'une calcination rapide pour le revêtement de carbone. Deuxièmement, LiFePO4 avec une bonne cristallinité et une grande pureté a été synthétisé en une seule étape, avec Fe2O3 par voie hydrothermale. Troisièmement, LiFe0.3Mn0.7PO4 a été préparé en utilisant Fe2O3 et MnO comme des précurseurs de bas coûts au sein d'une méthode hydrothermale synthétique. Pour les matériaux d'anode, nous avons nos efforts concentré sur un matériau d'anode à faible coût α-Fe2O3 avec deux types de synthèse hydrothermales, une a base de micro-ondes (MAH) l’autre plus conventionnelles (CH). La nouveauté de cette thèse est que pour la première fois le LiFePO4 a été préparé par une méthode hydrothermale en utilisant un précurseur Fe3+ (Fe2O3). Le Fe2O3 est un précurseur à faible coût et en combinant ses coûts avec les conditions de synthèse à basse température nous avons réalisé une réduction considérable des coûts de production pour le LiFePO4, menant ainsi à une meilleure commercialisation du LiFePO4 comme matériaux de cathode dans les piles lithium-ion. Par cette méthode de préparation, le LiFePO4/C procure une capacité de décharge et une stabilité de cycle accrue par rapport une synthétisation par la méthode à l'état solide pour les mêmes précurseurs Les résultats sont résumés dans deux articles qui ont été récemment soumis dans des revues scientifiques. / In this thesis, low cost syntheses of cathode and anode materials for lithium ion batteries will be presented. For cathode materials, low cost precursors were used to prepare LiFePO4 and LiFe0.3Mn0.7PO4 using low temperature hydrothermal method. Initially, a LiFePO4/C composite material was synthesized from a Fe2O3 precursor using a hydrothermal method to prepare LiFePO4(OH) in a first step followed by a fast calcination and carbon coating. Secondly, LiFePO4 with good crystallinity and high purity was synthesized, in one step, with nanometric sized Fe2O3 by a hydrothermal method. Thirdly, LiFe0.3Mn0.7PO4 was prepared using low cost Fe2O3 and MnO as precursors within a hydrothermal synthetic method. For anode materials, a low cost anode material α-Fe2O3 was prepared using two hydrothermal synthetic methods, microwave assisted (MAH) and conventional hydrothermal (CH). The novelty of the thesis is for the first time LiFePO4 has been prepared using a low cost Fe3+ precursor (Fe2O3) by a hydrothermal method. Low cost precursors and low temperature synthesis conditions will greatly reduce the synthetic cost of LiFePO4, leading to greater commercialization of LiFePO4 as a cathode materials for lithium-ion batteries. The as-prepared LiFePO4/C product provided enhanced discharge capacity and cycling stability compared to that synthesized using a solid state method with the same precursors. The results were summarized within two articles that were recently submitted to peer reviewed scientific journals.