Une utilisation intelligente de l’espace Hertzien sera nécessaire pour permettre aunombre croissant d’objets sans-fil connectés de communiquer dans le même espace de propagation.Ces travaux de thèse proposent une architecture d’émetteur radiofréquence flexible, faiblecoût et faible consommation, en rupture avec les techniques conventionnelles. Cet émetteur estfondé sur un encodage de la dérivée du signal à générer, ce qui permet de réduire le coût énergétiquede la conversion de l’information. Un convertisseur numérique analogique compatibleavec cette architecture est présenté et ses performances sont évaluées dans le cadre de la générationde signaux radiofréquence. Les résultats de mesures obtenus avec un prototype réalisé entechnologie CMOS 65 nm apporte la preuve du concept. / The increasing density of wireless devices and the associated communication flowssharing the same air interface will require a smart and agile use of frequency resources. Thisthesis proposes a flexible, low cost and low power disruptive transmitter architecture. It usesa differentiating coding scheme which leverages a mathematical and technological reduction ofthe energy cost of information conversion. The design of a DAC suited to this architecture isdeveloped and its performances are assessed toward RF signal generation. The measurementsof a demonstrator designed in 65 nm CMOS technology bring a proof of concept.

Dans cette thèse nous proposons une méthodologie de co-conception logicielle/matérielle pour les systèmes de radio logicielle, et plus généralement pour les systèmes électroniques embarqués, permettant de répondre aux défis imposés par la conception de tels systèmes et d'améliorer la productivité. Basée sur une démarche de conception dirigée par les modèles (dérivée de l'ingénierie dirigée par les modèles), notre méthodologie de co-conception permet une modélisation de haut niveau, depuis des modèles UML/MARTE (extension de l'UML dédié à la modélisation matérielle), jusqu'à la mise en œuvre matérielle (génération de code VHDL) par un jeu de transformations successives et de raffinements itératifs des modèles. Pour cela, nous avons défini le niveau de modélisation intermédiaire, intitulé Execution Modeling Level, qui permet de se focaliser sur le partitionnement logiciel/matériel et sur l'exploration d'architecture afin de dimensionner la plate-forme matérielle. Afin de compléter la génération de code matérielle associée à cette méthodologie, nous mettons en avant l'intérêt de coupler une méthodologie basée sur des modèles de haut niveau avec la synthèse comportementale, ce que nous illustrons au travers de la mise en œuvre d'un décodeur MIMO. Enfin, dans un contexte de radio-logicielle, nous proposons une extension de la méthodologie afin de prendre en compte le caractère flexible des systèmes embarqués. Pour cela, nous avons intégré à notre méthodologie une architecture de gestion de la reconfiguration proposée par Supélec. Une exécution de modèles de haut niveau sur une plate-forme radio réelle nous a permis de valider notre approche.

Dans un contexte de multiplication des normes de télécommunications aux spécifications distinctes, nos travaux de recherche définissent une architecture reconfigurable pour des terminaux radio multistandard. Nous proposons ainsi une nouvelle méthode de paramétrisation intitulée "la Technique des Opérateurs Communs" afin d'accéder à la combinaison " reconfiguration temps réel/généricité du terminal". Cette technique est une méthodologie de conception et d'exécution qui vise à développer un ensemble limité d'"Opérateurs Communs" (OC), génériques, reconfigurables par simple téléchargement de paramètres, indépendants de la cible technologique d'implémentation et qui constituent les éléments de base de notre terminal multistandard. Afin d'exécuter l'ensemble du terminal multistandard, trois familles d'OC sont proposées (LFSR, FFT/VITERBI, CORDIC). Une méthodologie de gestion des OC est également présentée et une étude de di_érents cas d'implémentations est menée, permettant d'atteindre des gains en complexité jusqu'à 40% de la complexité matérielle sur une cible FPGA dans le cas d'un terminal tri-standard (IEEE 802.11, IEEE802.16 et 3GPP LTE).

Le concept de radio logicielle (SDR) est une solution pertinente pour concevoir des équipements multi-standards. Une façon de réaliser de tels équipements est d'identifier les fonctions et opérateurs communs entre les standards. Cette approche s'appelle la paramétrisation et est divisée en deux catégories : l'approche pragmatique qui est une version pratique pour créer et développer des opérateurs communs à partir d'opérateurs existants, et l'approche théorique dont l'objectif est de réaliser une exploration graphique d'un équipement multi-standards selon différents niveaux de granularité, accompagnée d'un problème d'optimisation. C'est cette dernière approche qui a constitué le sujet de base de cette thèse. Ainsi, une fonction de coût doit être optimisée afin de sélectionner les opérateurs communs entre les différentes normes, ce qui permet de proposer une configuration optimale à partir de laquelle sont déduits les opérateurs communs. Dans notre travail, nous avons dans un premier temps modélisé théoriquement la structure graphique d'un système multi-standards par un hypergraphe orienté. En outre, nous avons fourni une expression mathématique alternative de la fonction de coût suggérée, en utilisant des définitions propres à la théorie des graphes. Ensuite, nous avons montré que le problème d'optimisation associé était un problème NP sous une certaine contrainte, ce qui a entraîné une preuve d'exclusion de certaines configurations dont les coûts ne peuvent être minimaux. Ceci a constitué la deuxième contribution de cette thèse. Enfin, nous avons proposé un nouvel algorithme permettant de résoudre le problème d'optimisation donné, et dont l'intérêt est de donner une solution optimale du problème au lieu d'une solution approchée fournie par les méthodes heuristiques classiques. Un programme associé à cet algorithme a été développé en langage C, puis appliqué à plusieurs exemples de cas génériques afin d'en étudier les performances.

La réduction d'énergie apparaît comme un besoin crucial dans les télécommunications modernes, tant au niveau des terminaux que des réseaux. Dans les réseaux modernes, un terminal peut se connecter à Internet via d'autres terminaux ou infrastructures à proximité, appelés relais. Bien que les relais offrent une solution intéressante pour limiter la puissance de transmission des terminaux, il n'est pas simple de garantir une réduction de la consommation d'énergie globale. Il devient alors nécessaire de développer des outils pour évaluer et quantifier la consommation d'énergie. Un terminal moderne dispose de plusieurs interfaces de communications, ce qui lui permet d'utiliser plusieurs standards. Sachant qu'un standard dispose de différents modes de communications, un terminal est multi-mode lorsqu'il possède cette capacité à communiquer sur les différents standards et modes disponibles. Nous nous sommes alors intéressés à l'utilisation du multi-mode dans le cadre des relais. Nous nous positionnons dans un contexte de radio logicielle, où la couche physique d'un terminal est représentée par des blocs programmables, ce qui facilite l'implémentation du multi-mode. Afin d'estimer la consommation d'énergie d'une radio logicielle, nous avons calculé la complexité algorithmique pour les couches physiques du 802.11g (ou Wi-Fi), de l'UMTS et du 802.15.4 (ou Zigbee). Dans cette thèse, nous avons développé des outils nous permettant d'évaluer l'intérêt d'un relais multi-mode dans la réduction d'énergie. Nous avons proposé un modèle d'énergie réaliste pour le multi-mode, qui prend en compte la couche d'accès au medium des protocoles considérés. Dans un but de réalisme accru, nous avons implémenté le multi-mode au sein de WSNet, un simulateur réseau précis, grâce auquel nous avons déterminé les paramètres ayant un impact sur la consommation d'énergie. Puis, nous avons proposé et validé des stratégies permettant de minimiser l'influence de ces paramètres.

L'expansion de la radio et le développement de nouveaux standards enrichissent la diversité et la quantité de données contenues sur les ondes de radiodiffusion. Il devient alors judicieux de développer un moteur de recherches qui aurait la capacité de rendre toutes ces données accessibles comme le font les moteurs de recherche sur internet à l'image de Google. Les possibilités offertes par un tel moteur s'il existe sont nombreuses. Ainsi, le projet SurfOnHertz, qui a été lancé en 2010 et s'est terminé en 2013, avait pour but de mettre au point un navigateur qui serait capable d'indexer les flux audios de toutes les stations radios. Cette indexation se traduirait, entre autres, par de la détection de mots clés dans les flux audios, la détection de publicités, la classification de genres musicaux. Le navigateur une fois mis au point deviendrait le premier moteur de recherches de genre à traiter les contenus radiodiffusés. Relever un tel challenge nécessite d'avoir un dispositif pour capter toutes les stations en cours de diffusion dans la zone géographique concernée, les démoduler et transmettre les contenus audios à un moteur d'indexation. Ainsi, les travaux de cette thèse visent à proposer des architectures numériques portées sur une plateforme SDR pour extraire, démoduler, et mettre à disposition le contenu audio de chacune des stations diffusées dans la zone géographique du récepteur. Vu le grand nombre de standards radio existants aujourd'hui, la thèse porte principalement les standards FM et DRM30. Cependant les méthodologies proposées sont extensibles à d'autres standards.C'est à base d'un FPGA que la majeure partie des travaux a été menée. Le choix de ce type de comcomposant est justifié de par les grandes possibilités qu’il offre en termes de parallélisme de traitements, de maitrise de ressources disponibles, et d’embarquabilité. Le développement des algorithmes a été fait dans un souci de minimisation de la quantité de blocs de calculs utilisés. D’ailleurs, bon nombre d’implémentations ont été réalisées sur un Stratix II, technologie aux ressources limitées par rapport aux FPGAs d’aujourd’hui disponibles sur le marché. Cela atteste la viabilité des algorithmes présentés. Les algorithmes proposés opèrent ainsi l’extraction simultanée de tous les canaux radios lorsque les stations ne peuvent occuper que des emplacements uniformément espacés comme la FM en Europe occidentale, et aussi, pour des standards dont la répartition des stations dans le spectre semble plutôt aléatoire comme le DRM30. Une autre partie des discussions porte sur le moyen de les démoduler simultanément. / The expansion of the radio and the development of new standards enrich the diversity and the amount of data carried by the broadcast radio waves. It becomes wise to develop a search engine that has the capacity to make these accessible as do the search engines on the internet like Google. Such an engine can offer many possibilities. In that vein, the SurfOnHertz project, which was launched in 2010 and ended in 2013, aimed to develop a browser that is capable of indexing audio streams of all radio stations. This indexing would result, among others, in the detection of keywords in the audio streams, the detection of commercials, the classification of musical genres. The browser once developed would become the first search engine of its kind to address the broadcast content. Taking up such a challenge requires to have a device to capture all the stations being broadcasted in the geographical area concerned, demodulate them and transmit the audio contents to the indexing engine. Thus, the work of this thesis aim to provide digital architectures carried on a SDR platform for extracting, demodulating, and making available the audio content of each broadcast stations in the geographic area of the receiver. Before the large number of radio standards which exist today, the thesis focuses FM and DRM30 standards. However the proposed methodologies are extensible to other standards. The bulk of the work is FPGA-based. The choice of this type of component is justified by the great opportunities it offers in terms of parallelism of treatments, mastery of available resources, and embeddability. The development of algorithms was done for the sake of minimizing the amount of the used calculations blocks. Moreover, many implementations have been performed on a Stratix II technology which has limited resources compared to those of the FPGAs available today on the market. This attests to the viability of the presented algorithms. The proposed algorithms thus operate simultaneous extraction of all radio channels when the stations can only occupy uniformly spaced locations like FM in Western Europe, and also for standards of which the distribution of stations in the spectrum seems rather random as the DRM30. Another part of the discussion focuses on the means of simultaneously demodulating it.

Il est devenu depuis des années évident, même pour le simple amateur de nouvelles technologies, que le nombre des systèmes utilisant une connexion sans fil ne fait qu'augmenter. Les usages liés au nomadisme ou même simplement à la disparition de câbles jugés encombrants ou inesthétiques poussent à développer encore et toujours de nouvelles interfaces radio adaptées aux contraintes amenées par lesdits usages. Dès lors, à partir du moment où l'on souhaite développer des équipements compatibles avec plusieurs de ces usages (deux exemples faciles étant les téléphones portables et les tablettes tactiles), cela sous-entend qu'il faut être capable d'intégrer dans ces mêmes dispositifs un nombre d'interfaces radio de plus en plus important. Dès lors, le fil-rouge qui sous-tend cet ouvrage est le concept général de systèmes multi-*. Ce paradigme couvre l'étendue des systèmes radios qui offrent de multiples degrés de liberté : multi-standard, multi-fréquence, multi-canal, multi-antenne, etc... Partir d'emblée du postulat qu'une architecture va dès sa conception intégrer plusieurs interfaces permet alors d'avoir une optimisation différente de l'ensemble du système.

Afin de répondre aux besoins permanents de mobilité et de débit, l'émergence de la future quatrième génération de systèmes de radiocommunications repose autant sur le développement de nouvelles techniques de transmissions que sur la mise au point d'architectures matérielles performantes. Dans la recherche de modulations adaptées pour la couche physique de ces futurs réseaux, une approche pertinente repose sur la technique MC-CDMA, associant les techniques de modulations à porteuses multiples et l'étalement de spectre. L'extension de cette technique mono-antenne aux systèmes alliant un réseau d'antennes à l'émission et à la réception ou MIMO, est également très séduisante. Les techniques MIMO réalisées par des modulations codées en blocs ou en treillis offrent un regain de débit ou de robustesse. Ainsi, la combinaison de la technique MC-CDMA avec des techniques MIMO offre un panel de solutions répondant aux contraintes de mobilité et de débit. Les travaux de recherche présentés dans cette thèse ont pour buts l'étude et la mise en oeuvre pratique de systèmes de communications utilisant ces techniques innovantes. Notre travail a par ailleurs porté sur la définition et l'optimisation des méthodes de conception de tels systèmes vers des cibles architecturales hétérogènes. Ce travail fait partie intégrante du projet européen MATRICE et du projet région Bretagne PALMYRE.<br /><br />Après une présentation générale du contexte applicatif et des principes afférents aux systèmes MC-CDMA et aux techniques MIMO, une étude de la complexité et de l'intégration au sein d'une plate-forme de prototypage associant des composants DSP et FPGA est réalisée. Afin de proposer une démarche de conception efficace, nous envisageons l'application de la méthodologie MCSE pour le développement des systèmes étudiés. Ainsi, son flot complet de conception sera détaillé. L'intérêt de cette méthode pour l'optimisation de systèmes de transmissions reposant sur les techniques MC-CDMA et MIMO est ainsi démontré.

Cette étude répond au problème d'ordonnancement temps réel de composants logiciels s'exécutant sur un processeur de traitement du signal dans un contexte de radio logicielle. Elle vise ainsi à compléter l'offre en termes d'outillage de conception radio logicielle. Dans la pratique actuelle, l'ordonnancement temps réel des applications de traitement du signal flexibles s'exécutant sur un processeur donné, est effectué de manière manuelle, en utilisant des méthodes empiriques, et en prenant des marges non négligeables. Etant donnée l'augmentation pressentie du nombre de composants logiciels de la couche physique s'exécutant simultanément sur un même processeur dans les futures radios logicielles, ces méthodes seront sujettes à erreur, feront perdre beaucoup de temps et ne trouveront pas nécessairement de solutions d'ordonnancement valides même lorsqu'il en existera une. Pour cela, cette thèse définit un nouveau modèle de tâche représentant plus précisément le comportement des tâches dans certains contextes de radio logicielle : le modèle GMF (Generalized Multi-Frame) non cyclique. Pour ce modèle, nous présentons une formulation du calcul du temps de réponse des tâches, ainsi qu'un nouveau test de faisabilité suffisant pour des tâches s'exécutant sur un processeur avec la politique d'ordonnancement " Earliest Deadline First " (EDF). Nous fournissons aussi pour ce modèle de tâche un algorithme efficace, permettant la détermination exacte de la faisabilité temps réel. Nous présentons dans cette thèse un nouveau flot de conception IDM (Ingénierie Dirigée par les Modèles), permettant de spécifier les paramètres rendant possibles une analyse d'ordonnançabilité temps réel des composants logiciels s'exécutant sur un processeur dans une radio logicielle. Cette thèse propose des méthodes pour calculer les contraintes temporelles dans une radio logicielle. Elle présente les éléments du standard MARTE à utiliser pour renseigner les contraintes dans le modèle ainsi que les règles de transformations de modèles qui permettent d'obtenir un modèle exploitable par un outil d'analyse d'ordonnançabilité temps réel. Cette thèse présente une approche, implantée sous forme d'un outil de simulation, effectuant l'analyse d'ordonnancement temps réel des tâches de traitement du signal flexibles s'exécutant sur un processeur suivant une politique d'ordonnancement hybride. Cet outil est intégré au flot IDM proposé.

Les travaux de cette thèse, menés dans le cadre du projet RNRT A3S, intègrent la notion de composants au sein d'une méthodologie de conception de plates-formes SoC (System on Chip), basée sur le langage de modélisation UML (Unified Modeling Language). Cette méthodologie propose un environnement de conception haut-niveau, basé sur le profil UML A3S, développé pour apporter la sémantique du domaine des systèmes temps réel embarqués et en particulier celle relative aux applications Radio Logicielle. Elle repose sur une approche MDA ou l'architecture est dirigée par les modèles où chaque modèle correspond à un niveau d'abstraction, à un niveau de raffinement particulier.<br /><br />Une chaîne UMTS a permis la validation de l'outil réalisé, en confrontant les résultats estimés de l'outil, à ceux mesurés sur une plate-forme temps réel hétérogène (multi-DSP, multi-FPGA). Une partie du travail s'est concentré sur l'identification des composants utiles à la conception des systèmes SoC, et de leurs caractéristiques, en adéquation avec le niveau d'abstraction considéré. Une autre partie des travaux a porté sur la définition des modèles UML, et donc du profil, qui définissent la sémantique des différents composants identifiés en fonction de la configuration (PIM, PSM), ainsi que leurs relations. Une réflexion a été nécessaire afin d'élaborer les diverses règles de vérification et modèles d'exécution qui permettent d'informer le concepteur de ses erreurs et de la faisabilité du système modélisé. Un modèle de système d'exploitation a également été inclus, enrichissant la liste des éléments (composants) déjà définis et démontrant l'extensibilité du profil.