De par son approche nouvelle, la radio impulsionnelle ultra large bande (UWB-IR) est porteuse de nombreuses promesses en termes de débit, de robustesse et de faible consommation. Du fait de sa largeur de bande (supérieure à 500 MHz), elle offre également la possibilité de faire de la géolocalisation avec une précision submétrique. Ce travail de thèse a débuté alors que les premières publications sur l'UWB présentaient des résultats de simulation extraordinaires. Afin de mieux cerner son réel potentiel dans le domaine des communications bas débit auquel l'UWB-IR semble particulièrement adaptée, cette étude a été orientée vers la réalisation matérielle d'une chaîne de communication, sous-tendue par la contrainte de forte réduction de complexité. Cette étude commence par la spécification d'une couche physique adaptée à la technologie et au domaine d'application envisagé, qui repose sur un schéma de transmission très simple. La plate-forme d'émission réalisée est basée sur une architecture très simple et des composants discrets de bas de gamme. Elle démontre ainsi la possibilité d'embarquer une telle structure dans un objet communicant autonome de faible coût. La chaîne de réception suit une approche originale basée sur un détecteur d'enveloppe et un comparateur à seuil variable, ce qui permet de relâcher certaines contraintes bloquantes comme celles liées à l'acquisition de synchronisation. Un ensemble d'algorithmes de réception à faible complexité permet d'exploiter au mieux cette structure de détection en levant différents verrous technologiques. Par ce travail, une réflexion globale sur un système UWB-IR bas débit a été menée et a abouti à la réalisation d'un lien radio physique qui démontre la viabilité technique de cette technologie en rupture. De plus, les résultats obtenus ont été la base d'une proposition complète portée en normalisation.

Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit portent sur le développement d'une nouvelle architecture de transmission spécifiquement dédiée aux réseaux de capteurs sans fils et adaptée aux caractéristiques particulières de ceux-ci. L'approche, basée sur les techniques de radio impulsionnelle pour la transmission à large bande, est développée selon deux aspects de recherche principaux: fonctionnel et matériel. L'aspect fonctionnel vise à définir les caractéristiques du signal transmis ainsi que les algorithmes de traitement (modulation et démodulation) associés. Plus largement, il s'agit de définir l'architecture fonctionnelle de la chaîne de transmission, selon deux modes différents d'exploitation: mono-utilisateur et multi-utilisateurs. L'approche proposée pour transmettre des signaux impulsionnels, est basé sur l'emploi de la transformée discrète en paquets d'ondelettes (DWPT) au niveau du récepteur et de la transformée inverse au niveau de l'émetteur (IDWPT). La nature orthogonale des ondelettes permet de réaliser, sans nécessiter une couche MAC complexe, des communications multi-utilisateurs, simultanées ou non, sur un canal large bande, grâce à la forte discrimination entre les impulsions transmises. Le deuxième aspect porte sur le développement des architectures matérielles permettant l'implantation des algorithmes de traitement développés dans la partie fonctionnelle. La recherche de performances élevées (ratio élevé entre vitesse de traitement et coût matériel) et flexibilité (configurabilité, extensibilité), est particulièrement important dans les fonctionnalités liées aux transformées discrètes en paquets d'ondelettes qui constituent le cœur critique de la chaîne de transmission. Des techniques de parallélisation massive et générique sont développées et mises en œuvre, permettant d'atteindre les niveaux de performances et de flexibilité requis. La validation a été réalisée à l'aide respectivement de modélisations et imulations sous Simulink/Matlab (de MathWorks) pour les aspects fonctionnels et de modélisations VHDL (au niveau RTL [Register Transfer Level]) et d'implantations sur FPGA pour les aspects matériels / The thesis work presented in this manuscript focuses on the development of a new transmission architecture specifically dedicated to wireless sensor networks and adapted to the particular characteristics of the later. The approach, based on impulse radio techniques for wideband transmission, is developed according to two main research aspects: functional and hardware. The functional aspect aims at defining the characteristics of the transmitted signal as well as the associated processing algorithms (modulation and demodulation). More broadly, it comes to define the functional architecture of the transmission chain, according to two different operating modes: mono- and multi-user. The proposed approach for transmitting pulse signals is based on the use of the discrete wavelet packet transform (DWPT) at the receiver and the inverse transform (IDWPT) at the transmitter. The orthogonal nature of the wavelets makes it possible, without needing a complex MAC layer, to make multi-user communications, either simultaneous or not, over a wideband channel, thanks to the strong discrimination between the transmitted pulses. The second aspect relates to the development of hardware architectures allowing the implementation of the processing algorithms developed in the functional part. The search for high performance (high ratio between processing speed and hardware cost) and flexibility (configurability, extensibility) is particularly important in the functionality related to the discrete wavelet packet transform which constitutes the critical core of the transmission chain. Massive and generic parallelization techniques are developed and implemented to achieve the required levels of performance and flexibility. Validation was carried out using respectively Simulink/Matlab (MathWorks) modeling and simulation for the functional aspects, and VHDL modeling (at the Register Transfer Level -- RTL) and FPGA implementations for the hardware aspects

Cette thèse étudie les avantages et les potentiels offerts par le style de conception asynchrone (sans horloge) pour implémenter les traitements numériques de réception des signaux radio impulsionnelle à ultra large bande (UWB), dans le contexte applicatif des réseaux de capteurs. D'une part, des oscillateurs numériques asynchrones ont été étudiés pour réaliser l'implémentation de la base de temps nécessaire aux traitements de réception des signaux radio impulsionnelle, et d'autre part, des algorithmes et des architectures asynchrones de réception de ces signaux radio ont été proposés et validés. Ces différents travaux ont permis de démontrer la pertinence de l'approche asynchrone pour l'implémentation de ce type de traitements, notamment sur le critère de faible consommation. Elles ouvrent ainsi la voie au concept de réseau de capteurs entièrement asynchrones.

Les réseaux à l'origine métropolitains, ont connu une tendance à rétrécir pour aujourd'hui se concentrer autour de l'être humain. Avec des équipements de plus en plus miniatures et les utilisateurs désireux de disposer en permanence des services qui leur sont accessibles à domicile, le réseau est envisagé plus petit, plus proche du corps. On assiste alors à l'émergence du réseau corporel, le Body Area Network (BAN), qui est constitué d'éléments situés sur le corps, à l'intérieur ou encore à une courte distance. Ce réseau à portée du corps génère de nouvelles problématiques, notamment celles de la puissance rayonnée par les équipements, leur taille, leur poids...Les applications et usages envisagés pour un tel réseau sont variés et couvrent plusieurs domaines d'activités, en l'occurrence le secteur du médical, du sport, et le multimédia. Ce réseau doit donc reposer sur une couche physique qui s'adapte aux contraintes de ces diverses applications, tout en favorisant des équipements de faible taille, faible complexité et de forte autonomie. La technologie Ultra Large Bande impulsionnelle (UWB-IR) est porteuse de nombreuses promesses pour satisfaire en partie les besoins des réseaux BAN, car autorisant des débits aussi bien réduits qu'élevés, et les architectures d'émission et réception utilisables pour cette technologie rendent possibles des équipements à faible complexité et faible coût, et dont la consommation énergétique est réduite.Ce travail de thèse a débuté alors qu'un processus de normalisation sur les BAN était en cours. L'objectif des travaux menés était de pouvoir contribuer en partie à ce processus de normalisation par la proposition d'une couche physique basée sur la radio impulsionnelle UWB (UWB-IR). Ainsi notre étude a porté sur le paramétrage de cette couche physique à partir de l'analyse des contraintes et requis techniques d'un réseau BAN. Les performances de cette couche physique ont ensuite été évaluées dans un contexte de canal UWB BAN et suivant le type d'architecture en réception, en particulier pour le récepteur non-cohérent. Enfin, une attention a été apportée sur la robustesse de la liaison en présence d'interférences bande étroite. Dans l'ensemble, ce travail a permis d'étudier et d'évaluer la pertinence d'une couche physique UWB-IR dans le contexte du réseau BAN

Du fait d'une demande croissante du marché concernant les réseaux de capteurs sans-fil, le développement de nouvelles solutions radio devient nécessaire afin de répondre aux contraintes de coût, de consommation, de débits et de durée de vie de ces domaines d'applications émergents.<br />Associée à ce contexte applicatif, cette thèse propose dans un premier temps une présentation des fondamentaux de la technologie Ultra Large Bande (ULB) suivie par un statut sur la réglementation mondiale et le standard IEEE 802.15.4a ; un cahier des charges d'un émetteur impulsionnel est ainsi établi. Confronté à un état de l'art des générateurs d'impulsions, il met en lumière la nécessité de développer de nouveaux émetteurs, ce que nous proposons à travers une architecture basée autour d'un DAC RF différentiel fonctionnant à 4GHz. Un principe novateur de génération de bursts compatibles avec le standard IEEE 802.15.4a est ensuite développé ; il permet de réduire la complexité globale de l'émetteur. Dans un second temps, l'architecture proposée est dimensionnée au niveau de ses blocs numériques et RFs puis son implémentation est effectuée dans la technologie ST CMOS 65nm. Le principe fonctionnel de l'architecture du générateur est validé par la mesure du circuit qui affiche une efficacité de 38pJ par impulsion pour une fréquence de répétition de 500MHz et une puissance moyenne de sortie de 0dBm.

Les réseaux à l'origine métropolitains, ont connu une tendance à rétrécir pour aujourd'hui se concentrer autour de l'être humain. Avec des équipements de plus en plus miniatures et les utilisateurs désireux de disposer en permanence des services qui leur sont accessibles à domicile, le réseau est envisagé plus petit, plus proche du corps. On assiste alors à l'émergence du réseau corporel, le Body Area Network (BAN), qui est constitué d'éléments situés sur le corps, à l'intérieur ou encore à une courte distance. Ce réseau à portée du corps génère de nouvelles problématiques, notamment celles de la puissance rayonnée par les équipements, leur taille, leur poids...Les applications et usages envisagés pour un tel réseau sont variés et couvrent plusieurs domaines d'activités, en l'occurrence le secteur du médical, du sport, et le multimédia. Ce réseau doit donc reposer sur une couche physique qui s'adapte aux contraintes de ces diverses applications, tout en favorisant des équipements de faible taille, faible complexité et de forte autonomie. La technologie Ultra Large Bande impulsionnelle (UWB-IR) est porteuse de nombreuses promesses pour satisfaire en partie les besoins des réseaux BAN, car autorisant des débits aussi bien réduits qu'élevés, et les architectures d'émission et réception utilisables pour cette technologie rendent possibles des équipements à faible complexité et faible coût, et dont la consommation énergétique est réduite.Ce travail de thèse a débuté alors qu'un processus de normalisation sur les BAN était en cours. L'objectif des travaux menés était de pouvoir contribuer en partie à ce processus de normalisation par la proposition d'une couche physique basée sur la radio impulsionnelle UWB (UWB-IR). Ainsi notre étude a porté sur le paramétrage de cette couche physique à partir de l'analyse des contraintes et requis techniques d'un réseau BAN. Les performances de cette couche physique ont ensuite été évaluées dans un contexte de canal UWB BAN et suivant le type d'architecture en réception, en particulier pour le récepteur non-cohérent. Enfin, une attention a été apportée sur la robustesse de la liaison en présence d'interférences bande étroite. Dans l'ensemble, ce travail a permis d'étudier et d'évaluer la pertinence d'une couche physique UWB-IR dans le contexte du réseau BAN / Absence de résumé en anglais

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.

L'Ultra Large Bande constitue une technologie très prometteuse pour les futures communications sans fil à courte distance : débits très importants et fonctionnalités de localisation. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux antennes ULB et plus particulièrement à leur caractérisation et modélisation. Les propriétés spécifiques des antennes ULB sont soulignées comparativement aux antennes des systèmes à bande étroite. Nous montrons l'intérêt de considérer les antennes ULB comme des systèmes linéaires et invariants et proposons de nouvelles approches pour définir les fonctions de transfert et réponses impulsionnelles associées. Cette caractérisation « système » est alors complétée en lui associant une modélisation paramétrique dans le but de réduire le nombre de données requises mais aussi d'intégrer les modèles d'antennes dans des environnements de simulation variés. Les modélisations proposées s'appuient sur des simulations électromagnétiques et des mesures fréquentielles, et considèrent différents types d'antennes ULB.

Autant le GPS tend à s'imposer pour la localisation à l'extérieur des bâtiments, autant la situation est beaucoup plus ouverte pour la localisation à l'intérieur des bâtiments. De nombreux réseaux WiFi sont déployés dans les bâtiments. Ils diffusent des informations de puissance du signal permettant de remonter à la position d'un mobile. La technique du fingerprinting par puissance WiFi permet de localiser le mobile. Cependant, l'utilisation de cette technique de localisation requière une base de données correspondant à la couverture radio WiFi dans l'environnement.<br />L'utilisation d'une technique de localisation basée sur des mesures temporelles est moins contraignante que le fingerprinting. L'émission d'impulsions radio très brèves confère à la technologie 802.15.4a un fort pouvoir séparateur des multi-trajets. Le phénomène de multi-trajets est la principale contrainte au déploiement d'une technologie de localisation par mesures temporelles. La détection du premier trajet est très importante.<br />Des estimateurs comme le filtre de Kalman ou le filtre particulaire sont nécessaires pour limiter les effets des multi-trajets, des bruits de mesure, etc. Ces filtres peuvent aussi intégrer des informations de cartographie. Bien souvent, l'exploitation d'une seule technologie est insuffisante. La fusion d'informations de localisation est une étape supplémentaire pour améliorer la localisation. Des architectures de fusion robustes permettent de corriger les défauts de chacune des technologies pour conduire à un système plus robuste et plus précis en toutes circonstances.<br />Ce travail présente une approche innovante pour la localisation WiFi avec l'exploitation de cartographie dans l'estimateur tout en gardant une faible complexité suivant la plate-forme de déploiement visée. L'exploration des capacités de la localisation par ULB est proposée dans un second temps, avant d'aborder une réflexion sur les méthodes de fusion multi-capteurs.

Depuis 2002, différentes bandes de fréquences de plusieurs GHz dites « Ultra-Large Bande » (ULB), généralement comprises entre 3,1GHz et 10,6GHz, ont été libérées de par le monde pour la transmission d’informations sans fil. La largeur de ces bandes est telle qu’il devient envisageable d’utiliser des impulsions comme support de l’information en lieu et place d’une porteuse modulée comme cela est le cas habituellement. En effet, le spectre d’une impulsion étant inversement proportionnel à sa durée, une large plage de fréquences est requise pour la transmission d’informations via des impulsions. Cependant, il devient possible d’accroitre les débits en rapprochant les impulsions émises lorsque ceci est nécessaire, tout en offrant la possibilité d’éteindre les circuits et donc réduire la consommation lorsque deux impulsions sont suffisamment éloignées dans le temps.Le travail de recherche de cette thèse est dans ce contexte de proposer une structure d’émetteur impulsionnel reconfigurable disposant d’un contrôle suffisamment fin pour s’adapter aux différents canaux des standards IEEE 802.15.4 et 802.15.6 et ce, en n’utilisant que des circuits numériques pour les besoins des applications faibles coût. Pour cela, une étude théorique sur la mise en forme des impulsions requises est faite. Puis, il est question de la conception des différentes fonctions nécessaires à la mise en œuvre d’un émetteur impulsionnel reconfigurable, telles qu’un oscillateur contrôlé en tension pour la bande 3,1GHz-10,6GHz à démarrage rapide et que le circuit de mise en forme des oscillations associé. / Since 2002, various frequency bands of several GHz called "Ultra-WideBand" (UWB), generally between 3,1GHz and 10,6GHz, were liberalized in the world for wireless data transmission. The width of these bands is that it becomes possible to use pulses instead of a modulated carrier to transmit data. Indeed, as the spectrum of a pulse is inversely proportional to its duration, a wide range of frequencies is required for the transmission of information via pulses. However, it becomes possible to increase the rates by moving closer the emitted pulses when this is necessary, while providing the ability to switch off the circuits and thus reduce power consumption when two pulses are sufficiently far in time.To standardize the use of UWB frequency bands, standards such as IEEE 802.15.4 and 802.15.6 standards have emerged and have chosen to cut these frequency bands in channels of 500MHz and more. The aim of this thesis is also to propose a reconfigurable pulse transmitter structure with a fine enough control to address the different channels of IEEE 802.15.4 and 802.15.6 standard and, using only digital circuits to target low cost applications. For this, a theoretical study on the shaping of pulses required is made. Then it comes to the design of the various functions necessary for the implementation of a reconfigurable pulse transmitter, such as the implementation of a voltage controlled oscillator for 3,1GHz band-10,6GHz with quick start ability and the required oscillations shaping circuit.