Un des objectifs majeurs des systèmes de communication est de pouvoir transmettre des données aux plus hauts débits possibles. La demande croissante des utilisateurs pour la communication sans fil à haut débit excède déjà les possibilités des réseaux actuels. Afin de répondre à cette problématique, nous présentons des systèmes de communication basés sur des fréquences porteuses térahertz (THz), fréquences suffisamment élevées pour supporter des débits supérieurs à la centaine de gigahertz. En particulier, nous nous intéressons au développement et à l'intégration d'un détecteur haut débit destiné à la communication THz sans fil. Nous utilisons comme détecteur un transistor GaAs à haute mobilité électronique (HEMT). Contrairement aux détecteurs existants tels que les diodes Schottky, le transistor étudié offre des avantages en ce qui concerne le coût, la compacité et les performances. En particulier, l'impédance de sortie est mieux adaptée aux circuits intégrés hauts débits d'impédance d'entrée de 50 Ohm. Nous présentons une caractérisation de ce détecteur en sensibilité et en bande passante de modulation, démontrant pour la première fois sa capacité à être utilisé pour des communications à haut débit. L'intégration du transistor, indispensable à la réalisation de communications réelles, est détaillée. Une communication THz sans fil est démontrée à des fréquences de 0,200 THz et 0,309 THz. Pour la première fois, une transmission de données sans erreur a été démontrée jusqu'à un débit de 8,2 Gbps avec un transistor GaAs HEMT à une fréquence porteuse de 0,309 THz. Enfin, nous présentons de nouveaux transistors avec antenne intégrée permettant des communications à plus haut débit et de plus grande portée, grâce à une meilleure sensibilité. / One of the major objectives of communication systems is the ability to transmit data at the highest possible rates. The ever-growing user demand for wireless communication already exceeds capacities of present networks.In order to solve this problem, we introduce communication systems based on terahertz (THz) high-frequency carriers, whose frequencies are high enough to support data-rates higher than a hundred of gigahertz. In particular, we are interested in the development and the integration of a high data-rate detector intended for THz wireless communication.We use a GaAs High-electron-mobility transistor (HEMT) as detector. Unlike existing detectors such as Schottky diodes, the transistor studied in this thesis offers advantages in terms of cost, compactness and performances. In particular, the output impedance is more suitable for high data-rate integrated circuits whose input impedance is 50 Ohm. We present the characterization of the detector in terms of sensitivity and modulation bandwidth, demonstrating for the first time its ability to be used for high data-rate communications. The transistor's integration, essential for real communications, is detailed.A wireless THz communication is demonstrated around 0.200 THz and 0.309 THz. For the first time, an error-free transmission at data-rates up to 8.2 Gbps is demonstrated, using a GaAs plasma wave HEMT and a 0.309 THz carrier frequency. Finally, we present new transistors with integrated antenna, allowing communications at higher data-rates and with a longer range, thanks to a better sensitivity.

In this thesis, we present a detailed analysis of hybrid point-to-multipoint free space optical (FSO)/radio frequency (RF) wireless system. Hybrid FSO/RF sys- tems have emerged as a promising solution for high data rate wireless transmission. FSO technology can be used effectively in multiuser scenarios to support Point-to- Multi-Point (P2MP) networks. In this P2MP network, FSO links are used for data transmission from a central location to multiple users. When more than one FSO link fail, the central node uses a common backup RF link to transmit a frame to a remote node using an equal priority protocol. An equal priority protocol means that the remote nodes have the same priorities in being assigned the RF link. We assume two traffic classes, a high-priority and low-priority classes. The base station reserves two transmit buffers of each user for the downlink transmission. Considering the downlink traffic from the base station to a tagged remote node, we study several performance metrics. We develop a cross-layer Markov chain model to study the throughput from central node to a remote node as well as the performance of the resulting system. / Graduate

L’évolution actuelle de la société vers un monde de plus en plus numérique et connecté nécessite des liens de communication à la fois haut-débit et bas coûts. A cette fin, les guides d’ondes en plastique proposés ces dernières années visant les bandes de fréquences millimétriques (mm) offrent un compromis performance / coût très attractif.Profitant ainsi de larges bande-passantes de l’ordre de plusieurs gigahertz (GHz), des performances des technologies CMOS avancées aux fréquences mm mais également de tolérances d’assemblage relâchées, des systèmes de communication avec de tels guides d’ondes en plastique pourraient offrir des débits de plusieurs gigabits par seconde (Gb/s) sur des distances de plusieurs mètres de manière abordable.Dans ce travail, la conception d’un guide d’ondes en plastique est tout d’abord présentée en se basant à la fois sur des résultats théoriques et de simulation électromagnétique. Bien que les promesses de faible atténuation aient effectivement été confirmées, certaines limitations du confinement et de la robustesse aux contacts extérieurs sont également apparues. L’ajout d’une mousse protectrice est brièvement investiguée, mais une géométrie innovante de guide présentant des caractéristiques améliorées est principalement détaillée.Des thématiques « systèmes » sont ensuite explorées afin de construire un système de communication utilisant ce nouveau canal de propagation. Une architecture combinant la modulation de phase en quadrature (QPSK) et le multiplexage en fréquence est ainsi introduite. L’interface entre le circuit et le guide d’ondes a par ailleurs été identifiée comme une limitation potentielle à la bande-passante globale du système. Par conséquent, une transition très large-bande a été conçue et testée pour lever ce verrou. De même, en raison des inconvénients des techniques usuelles de démodulation de signaux mm QPSK, une topologie originale utilisant les non-linéarités des oscillateurs à injection a été développée.Enfin, la conception d’un émetteur mm en technologie silicium avancée (CMOS 28 nmFD-SOI) est décrite. Les contributions majeures incluent l’introduction de coupleurs hybrides intégrés à haute-performance ainsi que la réalisation d’un circuit de synchronisation. Celui-ci présente une large plage de capture et permet un fonctionnement à faible bruit de phase lorsque le système est verrouillé sur la cinquième harmonique du signal de référence. Des mesures sur signaux modulés ont également permis de mettre en évidence la capacité de l’émetteur à transmettre des débits très élevés de plusieurs Gb/s. / In a world willfully transitioning to the Digital Age, the thirst for connectivity demands high-speed communication links at low cost. In this context, affordable plastic waveguides have been proposed as a disruptive propagation channel in the millimeter-wave (mmW) range. Benefiting from multi gigahertz (GHz) bandwidths and mmW capabilities of advanced CMOS technologies as well as relaxed assembly tolerances requirements, cost-effective communication systems based on plastic waveguides could offer multi gigabits per second (Gb/s) data rates over several meters distances.In this work, the design of plastic waveguide channels is first discussed using both a theoretical approach and Electromagnetic (EM) simulations. Although low attenuation promises have been confirmed, some limitations are also highlighted, especially as regards confinement ability and robustness to external contacts. Solutions involving foam coating are briefly investigated and an innovative plastic waveguide design demonstrating improved characteristics is introduced.System-level topics are then explored in order to build a communication system using the previously presented channel. A new architecture, which combines Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) and frequency multiplexing, is found to be much more suitable. The transition from the circuit to the plastic waveguide has also been identified as a potential bandwidth bottleneck. Consequently, a wideband microstrip to WR-12 transition has been designed. Another limitation concerning the demodulation of QPSK mmW signals is investigated and an original topology using the non-linearities of Injection Locked Oscillators (ILO) has been developed.Finally, the design of a mmW transmitter in an advanced silicon technology node (CMOS 28 nm FD-SOI) is described. Major contributions include the introduction of high-performance integrated hybrid couplers and the realization of a wide locking range synchronization circuit enabling low phase-noise operation when locked on the fifth harmonic of a reference signal. Measurements on modulated signals have validated the transmitter high data-rate capability of several Gb/s.

Une approche pour augmenter le débit par longueur d'onde, est d'utiliser la modulation DMT (Discrete Multitone) à haute efficacité spectrale. Le travail présenté dans cette thèse se focalise principalement sur l'optimisation de la consommation en puissance et le coût de la DMT, qui présentent des obstacles majeurs à son industrialisation. Dans ce cadre, nous avons tout d'abord développé des nouvelles techniques permettant d'exclure la symétrie Hermitienne des modulations DMT, réduisant ainsi considérablement la consommation en puissance et le coût du système. Nous avons ensuite proposé un algorithme de compression linéaire asymétrique permettant de réduire la puissance optique de la modulation DMT avec une complexité modérée. Un nouveau modèle comportemental du VCSEL basé sur la caractéristique quasi-statique a été également développé. Nous avons enfin validé expérimentalement les techniques que nous avons proposées. Plusieurs résultats de simulations et de mesures sont ainsi présentés. / A possible approach to maximize the data rate per wavelength, is to employ the high spectral efficiency discrete multitone (DMT) modulation. The work presented in this thesis mainly focuses on optimizing the power consumption and cost of DMT, that are the major obstacles to its market development. Within this context, we have first developed novel techniques permitting to discard the use of Hermitian symmetry in DMT modulations, thus significantly reducing the power consumption and the system cost. We have next proposed an asymmetric linear companding algorithm permitting to reduce the optical power of conventional DCO-OFDM modulation with a moderate complexity. A new VCSEL behavioural model based on the use of the VCSEL quasi-static characteristic was also developed to accurately evaluate the VCSEL impact on DMT modulations. Finally, we have built an experimental system to experimentally validate our proposed techniques. Several simulations and measurement results are then provided.

Cette thèse porte sur l'étude d'antennes intégrées sur silicium aux fréquences millimétriques, dans le but d'aboutir à des modules d'émission-réception totalement intégrés et reportés par des technologies standards dans un objet communicant. Ce travail comprend deux axes majeurs: Le première axe traite de l'étude, la conception et la réalisation d'antennes intégrées dans un boitier standard QFN couplées à un circuit émetteur-récepteur Ultra Large Bande (ULB) à 60 GHz comprenant des antennes intégrées de type dipôle replié fabriquées en technologie CMOS SOI 65-nm sur silicium haute résistivité. Dans un premier temps, nous avons défini le modèle de simulation à partir duquel nous avons étudié les performances des antennes prenant en compte l'influence de l'environnement (boitier, capot, fil d'interconnexions et technologie de fabrication). Dans un second temps, nous avons réalisé une optimisation des performances en adaptation et en rayonnement en ajoutant au sein du boitier un substrat et des éléments rayonnants couplés aux antennes intégrées sur la puce. Ce dispositif permet de réaliser des communications très haut débit (jusqu'à 2.2 Gbps) avec une très faible consommation d'énergie. Nous montrons qu'il est possible d'atteindre une distance de communication de plusieurs mètres grâce à un réseau transmetteur réalisé en technologie imprimée.Le deuxième axe porte sur la conception et la réalisation d'antennes multifaisceaux en bande V pour applications à long portée; il propose d'associer un réseau transmetteur réalisé sur technologie imprimée à un réseau focal constitué d'un petit nombre d'antennes intégrées sur silicium afin d'obtenir un compromis intéressant entre le niveau de gain, le coût et les capacités de dépointage de faisceau. Plusieurs réseaux sont démontrés avec un faisceau en polarisation circulaire, un gain de 18.6 dBi et une capacité de dépointage de ±24°. / This PhD thesis investigates the integration of antennas on silicon substrates at millimetre-wave frequencies in order to obtain fully-integrated and packaged transceiver modules using standard technologies in wireless devices. This work is organized in two main parts:In the first part, we investigated the design and realization of integrated antennas in a standard QFN package coupled to a 60 GHz Ultra-Wide-Band (UWB) transceiver chip with two integrated folded-dipole antennas implemented in a 65-nm CMOS-SOI technology on high-resistivity silicon. We defined a simulation model from which we studied the performance of integrated antennas, taking into account the influence of the environment (package, lid, wirebonding and manufacturing technology). Then, we optimized the antenna performances in impedance matching and radiation gain using radiating elements printed on a substrate and coupled to the on-chip folded dipoles. This antenna led to the demonstration of high-data rate communications (up to 2.2 Gbps) with a very low power consumption. We showed that the communication distance can be extended up to several meters using a transmit array printed on a low-loss substrate.In the second part, we investigated the design and realization of multibeam antennas in V-band for long-range applications; it is based on a transmit-array realized in standard printed technologies associated with a focal source array, which consists of a small number of integrated antennas on silicon in order to achieve a good compromise between the radiation gain, the cost and the beam steering capabilities. Several arrays were demonstrated with a circularly-polarized beam, a gain of 18.6 dBi et a beam-steering capability of ±24°.

Lors du développement d’un nouvel avion, la phase précédant l’obtention du certificat de navigabilité est basée sur de nombreux essais au sol ou en vol. Dans le domaine spatial, le lancement est l’une des phases les plus critiques pour les systèmes et des essais au sol particulièrement rigoureux sont donc réalisés afin de vérifier que la charge utile ne sera pas endommagéeDes milliers de capteurs de pression ou de jauges de contrainte sont ainsi utilisés par les industriels du secteur pour ce type d’essais. Mais tous ces éléments sont aujourd’hui connectés par des fils, ce qui engendre des contraintes de temps, de coût et de limitation du nombre de capteurs. Leur remplacement par des réseaux de capteurs sans fil est une solution évidente qui permet également d’augmenter le nombre de points de mesure. Cependant, il n’existe aujourd’hui aucun protocole permettant de répondre aux attentes et besoins des professionnels de l’aéronautique et du spatial. Les travaux présentés dans cette thèse ont ainsi vocation à répondre aux besoins d’un canal de communication très haut débit, basse consommation, à faible puissance d’émission, fiable et autorisant un grand nombre de nœuds. Un prototype de couche physique basée sur un système OFDM ultra large bande a été réalisé, testé et validé, et permet d’atteindre un débit de plus de 200 Mbits/s. / To evaluate a system's compliance with its specified requirements, Hardware System Testing is conducted on the complete and integrated system. This phase is essential in all industry branches, especially in the very regulated and critical aerospace world. In the final phase of the development of an airplane, flight test equipment gathers and analyzes data during flight to evaluate the flight characteristics of the aircraft and validate its design, including safety aspects. One of the most critical tests is the measure of the pressure around the wings during flight. All new aircrafts are computer designed with the use of virtual wind tunnels. So very accurate measures have to be done on the aircraft to validate the model before the aircraft can be industrially produced. In the case of satellites, vibration and mechanical stress are two critical phenomena a satellite endures during launch. This is leading to the necessity for accurate ground tests using strain gauges or thermal sensors before allowing a launch. All such systems used by aircraft and satellite manufacturers today are wired systems. Sensors put around the wings or inside the satellite compartments are wired to a concentrator inside the cabin or the operator’s room. Although good performances are observed in terms of measurement accuracy, these systems have strong drawbacks. The two most important ones are the weight and the cost of both the systems and their installation. An additional drawback concerning its use on aircrafts is due to the installation of a system that increases the weight of the aircraft and immobilizes it during many weeks due to the routing of every cable inside the wings. The cost and the complexity of such systems don’t allow a great number of measurement points. The replacement of conventional measurement networks by wireless sensor networks is not an obvious solution. Despite the great interest in wireless sensor networks in the recent years, the technological barriers are still very numerous and there is currently no protocol to meet the expectations and needs of aviation professionals. The work presented in this thesis aims to meet the needs of a high-speed, low power consumption, low emission and reliable communication layer. Measurements have been performed in real conditions using commercial devices based on the protocol MB-OFDM/Wimedia, the most common standard that approach the need expressed, and have served to define the basis of the study and have helped to select best development tracks. Measurements have demonstrated also the specificity of the propagation channel. In order to reduce the time between the choice of algorithms and their testing in real conditions, it became necessary to use a design flow called Specification - Exploration – Improvement based on automatic synthesis tools. This development cycle has identified specific material needs for the design of the demonstrator.The physical layer is based on an OFDM system and UWB to achieve a data rate of over 150 Mb/s. A fully functional demonstrator, implemented on FPGA and composed of four communicating nodes was presented and has been used to validate the physical layer. Finally first steps to develop a digital ASIC are presented to achieve the goal of low power consumption

Today’s world is becoming increasingly automated and interconnected with billions of smart devices coming online, leading to a steep rise in energy consumption from small microelectronics. This coincides with an urgent push to transform global energy production to green energies, causing disruptions and energy shortages, and making the case for efficient energy use ever more pressing. Two major areas where high growth is expected are the fields of wireless communication and radar sensors. Millimeter-wave frequency bands are planned for fifth-generation (5G) and sixth-generation (6G) cellular communication standards, as well as automotive frequency-modulated continuous wave (FMCW) radar systems for driving assistance and automation. Fast silicon-based technologies enable these advances by operating at high maximum frequencies, such as the silicon-germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistor (HBT) technologies. However, even the fastest transistors suffer from low and energy expensive gains at millimeter-wave frequencies. Rather than incremental improvements in circuit efficiency using conventional approaches, a disruptive revolution for green microelectronics could be enabled by exploring the low-power benefits of the super-regenerative receiver for some applications. The super-regenerative receiver uses a regenerative oscillator circuit to increase the gain by positive feedback, through coupling energy from the output back into the input. Careful bias and control of the circuit enables a very large gain from a small number of transistors and a very low energy dissipation. Thus, the super-regenerative oscillator could be used to replace amplifier circuits in high data rate wireless communication systems, or as active reflectors to increase the range of FMCW radar systems, greatly reducing the power consumption. The work in this thesis presents fundamental scientific research into the topic of energy-efficient millimeter-wave super-regenerative receivers for use in civilian wireless communication and radar applications. This research work covers the theory, analysis, and simulations, all the way up to the proof of concept, hardware realization, and experimental characterization. Analysis and modeling of regenerative oscillator circuits is presented and used to improve the understanding of the circuit operation, as well as design goals according to the specific application needs. Integrated circuits are investigated and characterized as a proof of concept for a high data rate wireless communication system operating between 140–220 GHz, and an automotive radar system operating at 60 GHz. Amplitude and phase regeneration capabilities for complex modulation are investigated, and principles for spectrum characterization are derived. The circuits are designed and fabricated in a 130 nm SiGe HBT technology, combining bipolar and complementary metal-oxide semiconductor (BiCMOS) transistors. To prove the feasibility of the research concepts, the work achieves a wireless communication link at 16 Gbit/s over 20 cm distance with quadrature amplitude modulation (QAM), which is a world record for the highest data rate ever reported in super-regenerative circuits. This was powered by a super-regenerative oscillator circuit operating at 180 GHz and providing 58 dB of gain. Energy efficiency is also considerably high, drawing 8.8 mW of dc power consumption, which corresponds to a highly efficient 0.6 pJ/bit. Packaging and module integration innovations were implemented for the system experiments, and additional broadband circuits were investigated to generate custom quench waveforms to further enhance the data rate. For radar active reflectors, a regenerative gain of 80 dB is achieved at 60 GHz from a single circuit, which is the best in its frequency range, despite a low dc power consumption of 25 mW.

For ultra-high speed communication systems at high center frequencies above 100 GHz, we propose a disruptive change in system architecture to address major issues regarding amplifier chains with a large number of amplifier stages. They cause a high noise figure and high power consumption when operating close to the frequency limits of the underlying semiconductor technologies. Instead of scaling a classic homodyne transceiver system, we employ repeated amplification in single-stage amplifiers through positive feedback as well as synthesizer-free self-mixing demodulation at the receiver to simplify the system architecture notably. Since the amplitude and phase information for the emerging oscillation is defined by the input signal and the oscillator is only turned on for a very short time, it can be left unstabilized and thus come without a PLL. As soon as gain is no longer the most prominent issue, relaxed requirements for all the other major components allow reconsidering their implementation concepts to achieve further improvements compared to classic systems. This paper provides the first comprehensive overview of all major design aspects that need to be addressed upon realizing a SPARS-based transceiver. At system level, we show how to achieve high data rates and a noise performance comparable to classic systems, backed by scaled demonstrator experiments. Regarding the transmitter, design considerations for efficient quadrature modulation are discussed. For the frontend components that replace PA and LNA amplifier chains, implementation techniques for regenerative sampling circuits based on super-regenerative oscillators are presented. Finally, an analog-to-digital converter with outstanding performance and complete interfaces both to the analog baseband as well as to the digital side completes the set of building blocks for efficient ultra-high speed communication.

No description available.

Dans ces travaux de thèse, nous proposons un système de communication original permettant d’atteindre un haut débit et de répondre aux exigences de la qualité de service requise pour les communications courte portée dans le cadre du transport intelligent. Ce système se base sur la technologie Ultra Large Bande Impulsionnelle (IR-ULB) et sur un nouveau schéma de modulation nommé M-OAM (M-Orthogonal Amplitude Modulation). Les modulations M-OAM se basent sur le principe des modulations M-QAM en remplaçant les porteuses par des formes d’ondes ULB orthogonales de type MGF (Modified Gegenbauer Function). Ces modulations ont été évaluées sous les conditions d’un canal AWGN et des canaux IEEE 802.15.3a et IEEE 802.15.4a qui tiennent compte des paramètres réels de la route. En plus du haut débit exigé par les communications inter-véhiculaires, il faut assurer un échange d’informations simultané entre plusieurs utilisateurs de la route et garantir une bonne qualité de service. Dans cette optique, une nouvelle technique d’accès multiple adaptée est proposée. Chaque utilisateur a la possibilité d’utiliser la modulation OAM adéquate selon le débit désiré. Le récepteur de ce système se caractérise par un aspect intelligent grâce à l’intégration des principes de la Radio Cognitive (RC) qui permet de détecter l’arrivée du signal et d’identifier les paramètres de la modulation utilisée afin de s’y adapter d’une façon autonome. Une bonne qualité de service est assurée par la proposition d’une nouvelle technique de démodulation qui se base sur les Statistiques d’Ordres Supérieurs (SOS) permettant d’éliminer le bruit Gaussien. Les bonnes performances du système de communication M-OAM ainsi que l’ensemble des aspects proposés ont été validés expérimentalement au sein du laboratoire IEMN-DOAE. Dans la dernière partie de ce document nous avons présenté la réalisation d’un prototype de ce traitement en temps réel sur une plateforme FPGA, en exploitant des algorithmes parallélisables sur des architectures reconfigurables. / In this work of thesis, we propose an original communication system allowing to reach high data rate and to fulfill the requirements of quality of service necessary for the communications short range dedicated to intelligent transport. This system is based on the Ultra Wide Band Impulse (IR-ULB) technology and on new modulation scheme named M-OAM (M-states Orthogonal Amplitude Modulation). M-OAM modulations are based on the principle of modulations M-QAM by replacingthe carriers used for QAM modulation with orthogonal waveforms ULB type MGF (Modified Gegenbauer Function). These modulations were evaluated under the conditions of AWGN channel and IEEE 802.15 channels which take account of the real parameters of the road. Besides the high speed required by inter-vehicular communications, it is necessary to ensure simultaneous information exchange between several users of the road. Accordingly, new adaptive multiple access system is proposed. Each user has the possibility to use the adequate modulation OAM according to the desired speed. The receiver of this system is characterized by an intelligent aspect thanks to the integration of the principle of Cognitive Radio (RC) which makes it able to detect the signal arrival and to identify the parameters of the used modulation in order to adapt the demodulation in an autonomous way. A good quality of service is ensured by the proposed novel demodulation method based on the Higher Orders Statistics (HOS) to eliminate the Gaussian noise. The good performances of M-OAM communication system M-OAM as well as the whole of the suggested aspects are validated in experiments within IEMN-DOAE laboratory. In the last part of this document we presented the realization of prototype using real time processing developed on FPGA plateform and exploiting parallelisable algorithms on reconfigurable architectures.