Les travaux de recherche détaillés dans ce document portent sur la conception et l’implantation d’un composant matériel jouant le rôle du sous-système cryptographique d’une radio logicielle sécurisée.A partir du début des années 90, les systèmes radios ont peu à peu évolué de la radio classique vers la radio logicielle. Le développement de la radio logicielle a permis l’intégration d’un nombre toujours plus grand de standards de communication sur une même plateforme matérielle. La réalisation concrète d’une radio logicielle sécurisée amène son concepteur à faire face à de nombreuses problématiques qui peuvent se résumer par la question suivante : Comment implanter un maximum de standards de communication sur une même plateforme matérielle et logicielle ? Ce document s’intéresse plus particulièrement à l’implantation des standards cryptographiques destinés à protéger les radiocommunications.Idéalement, la solution apportée à ce problème repose exclusivement sur l’utilisation de processeurs numériques. Cependant, les algorithmes cryptographiques nécessitent le plus souvent une puissance de calcul telle que leur implantation sous forme logicielle n’est pas envisageable. Il s’ensuit qu’une radio logicielle doit parfois intégrer des composants matériels dédiés dont l'utilisation entre en conflit avec la propriété de flexibilité propre aux radios logicielles.Or depuis quelques années, le développement de la technologie FPGA a changé la donne. En effet, les derniers FPGA embarquent un nombre de ressources logiques suffisant à l’implantation des fonctions numériques complexes utilisées par la radio logicielle. Plus précisément, la possibilité offerte par les FPGA d'être reconfiguré dans leur totalité (voir même partiellement pour les derniers d’entre eux) fait d’eux des candidats idéaux à l’implantation de composants matériels flexibles et évolutifs dans le temps. À la suite de ces constatations, des travaux de recherche ont été menés au sein de l’équipe Conception des Systèmes Numériques du Laboratoire IMS. Ces travaux ont d’abord débouché sur la publication d’une architecture de sous-système cryptographique pour la radio logicielle sécurisée telle qu’elle est définie par la Software Communication Architecture. Puis, ils se sont poursuivis par la conception et l’implantation d’un cryptoprocesseur multi-cœur dynamiquement reconfigurable sur FPGA. / The research detailed in this document deal with the design and implementation of a hardware integrated circuit intended to be used as a cryptographic sub-system in secure software defined radios.Since the early 90’s, radio systems have gradually evolved from traditional radio to software defined radio. Improvement of the software defined radio has enabled the integration of an increasing number of communication standards on a single radio device. The designer of a software defined radio faces many problems that can be summarized by the following question: How to implement a maximum of communication standards into a single radio device? Specifically, this work focuses on the implementation of cryptographic standards aimed to protect radio communications.Ideally, the solution to this problem is based exclusively on the use of digital processors. However, cryptographic algorithms usually require a large amount of computing power which makes their software implementation inefficient. Therefore, a secure software defined radio needs to incorporate dedicated hardware even if this usage is conflicting with the property of flexibility specific to software defined radios.Yet, in recent years, the improvement of FPGA circuits has changed the deal. Indeed, the latest FPGAs embed a number of logic gates which is sufficient to meet the needs of the complex digital functions used by software defined radios. The possibility offered by FPGAs to be reconfigured in their entirety (or even partially for the last of them) makes them ideal candidates for implementation of hardware components which have to be flexible and scalable over time.Following these observations, research was conducted within the Conception des Systèmes Numériques team of the IMS laboratory. These works led first to the publication of an architecture of cryptographic subsystem compliant with the security supplement of the Software Communication Architecture. Then, they continued with the design and implementation of a partially reconfigurable multi-core cryptoprocessor intended to be used in the latest FPGAs.

Les travaux de recherche de cette thèse de doctorat s’inscrivent dans le cadre de la conception d’unconvertisseur analogique-numérique (ADC, Analog-to-Digital Converter) large bande et à haute résolution afinde numériser plusieurs standards de communications sans fil. Il répond ainsi au concept de la radio logiciellerestreinte (SDR, Software Defined Radio). L’objectif visé est la reconfigurabilité par logiciel et l’intégrabilité envue d’un système radio multistandard. Les ADCs à sur-échantillonnage de type sigma-delta () s’avèrent debons candidats dans ce contexte de réception SDR multistandard en raison de leur précision accrue. Bien queleur bande passante soit réduite, il est possible de les utiliser dans une architecture en parallèle permettantd’élargir la bande passante. Nous nous proposons alors dans cette thèse de dimensionner et d’implanter unADC parallèle à décomposition fréquentielle (FBD) basé sur des modulateurs  à temps-discret pour unrécepteur SDR supportant les standards E-GSM, UMTS et IEEE802.11a. La nouveauté dans l’architectureproposée est qu’il est programmable, la numérisation d’un signal issu d’un standard donné se réalise enactivant seulement les branches concernées de l’architecture parallèle avec des sous-bandes defonctionnement et une fréquence d’échantillonnage spécifiée. De plus, le partage fréquentiel des sous-bandesest non uniforme. Après validation du dimensionnement théorique par simulation, l’étage en bande de base aété dimensionné. Cette étude conduit à la définition d’un filtre anti-repliement passif unique d’ordre 6 et detype Butterworth, permettant l’élimination du circuit de contrôle de gain automatique (AGC). L’architectureFBD requière un traitement numérique permettant de combiner les signaux à la sortie des branches enparallèle pour reconstruire le signal de sortie finale. Un dimensionnement optimisé de cet étage numérique àbase de démodulation a été proposé. La synthèse de l’étage en bande de base a montré des problèmes destabilité des modulateurs . Pour y remédier, une solution basée sur la modification de la fonction detransfert du signal (STF) afin de filtrer les signaux hors bande d’intérêt par branche a été élaborée. Unediscontinuité de phase a été également constatée dans le signal de sortie reconstruit. Une solution deraccordement de phase a été proposée. L’étude analytique et la conception niveau système ont étécomplétées par une implantation de la reconstruction numérique de l’ADC parallèle. Deux flots de conceptionont été considérés, un associé au FPGA et l’autre indépendant de la cible choisie (VHDL standard).L’architecture proposée a été validée sur un FPGA Xilinx de type VIRTEX6. Une dynamique de 74 dB a étémesurée pour le cas d’étude UMTS, ce qui est compatible avec celle requise du standard UMTS. / The work presented in this Ph.D. dissertation deals with the design of a wideband and accurate Analog-to-Digital Converter (ADC) able to digitize signals of different wireless communications standards. Thereby, itresponds to the Software Defined Radio concept (SDR). The purpose is reconfigurability by software andintegrability of the multistandard radio terminal. Oversampling  (Sigma Delta) ADCs have been interestingcandidates in this context of multistandard SDR reception thanks to their high accuracy. Although they presentlimited operating bandwidth, it is possible to use them in a parallel architecture thus the bandwidth isextended. Therefore, we propose in this work the design and implementation of a parallel frequency banddecomposition ADC based on Discrete-time  modulators in an SDR receiver handling E-GSM, UMTS andIEEE802.11a standard signals. The novelty of this proposed architecture is its programmability. Where,according to the selected standard digitization is made by activating only required branches are activated withspecified sub-bandwidths and sampling frequency. In addition the frequency division plan is non-uniform.After validation of the theoretical design by simulation, the overall baseband stage has been designed. Resultsof this study have led to a single passive 6th order Butterworth anti-aliasing filter (AAF) permitting theelimination of the automatic gain control circuit (AGC) which is an analog component. FBD architecturerequires digital processing able to recombine parallel branches outputs signals in order to reconstruct the finaloutput signal. An optimized design of this digital reconstruction signal stage has been proposed. Synthesis ofthe baseband stage has revealed  modulators stability problems. To deal with this problem, a solution basedon non-unitary STF has been elaborated. Indeed, phase mismatches have been shown in the recombinedoutput signal and they have been corrected in the digital stage. Analytic study and system level design havebeen completed by an implementation of the parallel ADC digital reconstruction stage. Two design flows havebeen considered, one associated to the FPGA and another independent of the chosen target (standard VHDL).Proposed architecture has been validated using a VIRTEX6 FPGA Xilinx target. A dynamic range over 74 dB hasbeen measured for UMTS use case, which responds to the dynamic range required by this standard.

Le nombre croissant d'applications des Réseaux de Capteurs Sans Fils (RCSFs) a conduit les industriels à concevoir ces réseaux avec une couche Physique (PHY) suivant le standard IEEE 802.15.4. Actuellement, cette couche est implémentée en matériel souffrant d'un manque de flexibilité du changement des paramètres radio, telles que bandes de fréquences et modulations. Ce problème est accentué par la rareté du spectre radio fréquences. La Radio Logiciel (RL) est une nouvelle solution pour reconfigurer plus facilement ces paramètres. A partir d'une RL, il est possible de développer une radio cognitive permettant une écoute de spectre et un Accès Dynamique au Spectre (ADS). Ces deux possibilités sont utiles pour surmonter le problème de la rareté du spectre. Cette thèse propose une nouvelle solution Radio logicielle pour un RCSF basé sur le standard IEEE 802.15.4. Notre objectif est de caractériser une plate-forme RL qui implémente à la fois deux couches PHY standardisées et une radio cognitive pour des RCSFs. Dans cette thèse, nous avons réalisé des implémentations RL en utilisant une plateforme composée de la solution Universal Software Peripheral Radio (USRP) d'Ettus Research et de GNU Radio. Nous avons choisi cette plateforme particulière puisqu'elle est parmi les outils les plus performants et les plus pratiques d'après notre état de l'art. Une étude minutieuse a été effectuée pour analyser l'architecture logicielle de la GNU Radio avant son utilisation. Des USRPs avec leurs cartes filles ont été aussi analysés à travers des mesures expérimentales radio fréquences. L'analyse de cette plate-forme a apporté une description détaillée de son architecture et de ses performances. Nous avons prouvé que les performances mesurées sont plus faibles que ceux attendus pour certaines cartes filles d'USRP. Malgré ces résultats, certaines cartes ont de nombreuses caractéristiques intéressantes, comme de grandes bandes de fréquences couvertes et une puissance de sortie linéaire. Un modèle empirique a été introduit pour caractériser avec précision la puissance de sortie moyenne d'une carte fille particulière. Nous avons ensuite implémenté une nouvelle couche PHY standardisée pour la bande de fréquence 868/915 MHz basée sur le standard 802.15.4. Un processus de rétro-ingénierie d'une autre implémentation développée pour la bande 2.4GHz a été effectué. Ces deux couches ont été décrites par des chaines de communications ou des graphes de flux. Nous avons finalement proposé une nouvelle radio cognitive par une reconfiguration de ces graphes de flux dans les deux bandes de fréquences correspondantes. La particularité de notre radio cognitive est de reconfigurer les graphes de flux en fonction de la fréquence sélectionnée. Cette sélection est effectuée par un ADS et une écoute de spectre basé sur une détection d'énergie, validés tous les deux au travers des réelles communications sans fil. Nous avons introduit un algorithme à base de messages afin de reconfigurer les graphes de flux et de synchroniser la sélection sur une fréquence porteuse. Les deux couches physiques en RL pour les bandes 2.4 GHz et 868/915 MHz ont été testées et sont fonctionnelles. La première a été testée en échangeant des paquets de données avec des nœuds capteurs réels. La deuxième a été expérimentée par l'échange de paquets, à travers une communication entre deux radios logicielles USRP/GNU Radio. Nous avons réussi à mesurer deux paramètres réels d'une communication sans fil : le taux d'erreur binaire et le taux de succès des paquets. Les couches PHY résultantes ont servi à la réalisation et à l'expérimentation d'un ADS de notre radio cognitive. Un ADS a amélioré significativement le taux de succès de paquets par rapport à celui obtenu avec un accès statique dans un environnement indoor. Les résultats de cette thèse conduisent à expérimenter une radio cognitive avec une RL non seulement pour un RCSF, mais pour d'autres réseaux sans fil et standards radio / The Increasing number of Wireless Sensor Networks (WSNs) applications has led industries to design the physical layer (PHY) of these networks following the IEEE 802.15.4 standard. The traditional design of that layer is on hardware suffering from a lack of flexibility of radio parameters, such as changing both frequency bands and modulations. This problem is emphasized by the scarcity of the radio-frequency spectrum. Software Defined Radio (SDR) is an attracting solution to easily reconfigure radio parameters. In addition to SDR, a cognitive radio concept can be proposed by spectrum sensing and Dynamic Spectrum Access (DSA) both to overcome the spectrum scarcity problem. This thesis proposes a new SDR solution for WSNs based on the IEEE 802.15.4 standard. Our aim is to characterize an SDR platform that implements two standardized PHY layers and cognitive radio for WSNs. In this thesis, we carried out SDR implementations using a GNU Radio and Universal Software Peripheral Radio (USRP) platform. We chose this particular platform because it is one of the most practical and well-performed ones. A thorough study was performed to analyze GNU Radio software architecture before its usage. USRPs and their daughter boards were also analyzed through experimental radio-frequency measurements. The analysis of the GNU Radio USRP platform brought a detailed description of its architecture and performances as well as the way to implement an SDR. This description particularly assists researchers to quickly develop efficient SDR receivers and transmitters. We show through our experiments that the measured performances of daughter boards mounted on a USRP are lower than expected ones. Despite these results, some daughter boards have many interesting features such as large covered frequency bands and with a linear output power. An empirical model was introduced to accurately characterize the average output power of a particular daughter board. Then, we implemented a new possible standardized PHY layer for the 868/915 MHz frequency band. A reverse engineering process of another implementation was performed for the 2450 MHz frequency band. These two PHY layers were described by communication chains or flow graphs. We suggested a new Cognitive Radio by a reconfiguration of these flow graphs within the corresponding frequency bands. The particularity of our cognitive radio is to reconfigure flow graphs in function to the selected frequency. This selection is performed by DSA and spectrum sensing based on energy detection both through real wireless communications. We introduced a message based algorithm in order to reconfigure the flow graphs and to synchronize the selection of a carrier frequency. Our two implemented PHY layers for the 2450 MHz and the 868/915 frequency bands were found functional. The first one was tested by exchanging data packets with real sensor nodes. The second was also experienced by a packet exchange, but via GNURadio/USRP communications. Both tests were carried out through real communications. We were also able to measure two wireless communication parameters: Bit Error Rate (BER) and the Packet Success Rate (PSR). The result of functional PHY layers was beneficial for realization and experiments of our cognitive radio. We found that our DSA significantly improves the packet success rate compared to that obtained with static spectrum access in an indoor environment. The results of this thesis lead to experiment a cognitive radio with an SDR not only for a WSN, but for other wireless networks and radio standards

Dans cette thèse, nous présentons la conception, le développement et le test de trois systèmes de reconnaissance automatique de cibles (ATR) visant à reconnaître des avions non-coopératifs, c’est-à-dire des avions ne fournissant par leur identité, en utilisant des signaux de radars passifs bistatiques. Les radars passifs bistatiques utilisent un ou plusieurs émetteurs d’opportunité (déjà présents sur le terrain), avec des fréquences allant jusqu’à 1 GHz pour les émetteurs considérés ici, et un ou plusieurs récepteurs déployés par le gestionnaire du système et non-colocalisés avec les émetteurs. Les seules informations utilisées sont les signaux réfléchis sur les avions et les signaux directement reçus qui sont tous les deux collectés par le récepteur, quelques informations concernant l’émetteur, et la configuration géométrique du radar bistatique.Les trois systèmes ATR que nous avons construits utilisent respectivement les images radar, les surfaces équivalentes radar (SER) complexes bistatiques et les SER réelles bistatiques. Nous utilisons des données acquises soit sur des modèles d’avions placés en chambre anéchoique à l’ONERA, soit sur des avions réels en utilisant un banc d’essai bistatique consistant en un émetteur VOR et un récepteur basé sur la radio-logicielle (SDR), et que nous avons déployé aux alentours de l’aéroport d’Orly. Nous décrivons d’abord la phénoménologie radar pertinente pour notre problème ainsi que les fondements mathématiques pour la dérivation de la SER bistatique d’un objet, et pour la construction d’images radar d’un objet.Nous utilisons deux méthodes pour la classification de cibles en classes prédéfinies : les arbres extrêmement aléatoires (extra-trees) et les méthodes de sous-espaces. Une caractéristique-clé de notre approche est que nous divisons le problème de reconnaissance global en un ensemble de sous-problèmes par décomposition de l’espace des paramètres (fréquence, polarisation, angle d’aspect et angle bistatique) en régions. Nous construisons un classificateur par région.Nous validons en premier lieu la méthode des extra-trees sur la base de données MSTAR, composée d’images radar de véhicules terrestres. Ensuite, nous testons cette méthode sur des images radar d’avions que nous avons construites à partir des données acquises en chambre anéchoique. Nous obtenons un pourcentage de classification allant jusqu’à 99%. Nous testons ensuite la méthode de sous-espaces sur les SER bistatiques (complexes et réelles) des avions que nous avons extraits des données de chambre anéchoique. Nous obtenons un pourcentage de classification allant jusqu’à 98%, avec des variations suivant la fréquence, la polarisation, l’angle d’aspect, l’angle bistatique et le nombre de paires émetteur-récepteur utilisées. Nous testons enfin la méthode de sous-espaces sur les SER bistatiques (réelles) extraites des signaux acquis par le banc d’essai déployé à Orly. Nous obtenons une probabilité de classification de 82%, avec des variations suivant l’angle d’aspect et l’angle bistatique. On a donc démontré dans cette thèse que l’on peut reconnaitre des cibles aériennes à partir de leur SER acquise en utilisant des signaux de radars passifs bistatiques. / We present the design, development, and test of three novel, distinct automatic target recognition (ATR) systems for the recognition of airplanes and, more specifically, non-cooperative airplanes, i.e. airplanes that do not provide information when interrogated, in the framework of passive bistatic radar systems. Passive bistatic radar systems use one or more illuminators of opportunity (already present in the field), with frequencies up to 1 GHz for the transmitter part of the systems considered here, and one or more receivers, deployed by the persons managing the system, and not co-located with the transmitters. The sole source of information are the signal scattered on the airplane and the direct-path signal that are collected by the receiver, some basic knowledge about the transmitter, and the geometrical bistatic radar configuration. The three distinct ATR systems that we built respectively use the radar images, the bistatic complex radar cross-section (BS-RCS), and the bistatic radar cross-section (BS-RCS) of the targets. We use data acquired either on scale models of airplanes placed in an anechoic, electromagnetic chamber or on real-size airplanes using a bistatic testbed consisting of a VOR transmitter and a software-defined radio (SDR) receiver, located near Orly airport, France. We describe the radar phenomenology pertinent for the problem at hand, as well as the mathematical underpinnings of the derivation of the bistatic RCS values and of the construction of the radar images.For the classification of the observed targets into pre-defined classes, we use either extremely randomized trees or subspace methods. A key feature of our approach is that we break the recognition problem into a set of sub-problems by decomposing the parameter space, which consists of the frequency, the polarization, the aspect angle, and the bistatic angle, into regions. We build one recognizer for each region. We first validate the extra-trees method on the radar images of the MSTAR dataset, featuring ground vehicles. We then test the method on the images of the airplanes constructed from data acquired in the anechoic chamber, achieving a probability of correct recognition up to 0.99.We test the subspace methods on the BS-CRCS and on the BS-RCS of the airplanes extracted from the data acquired in the anechoic chamber, achieving a probability of correct recognition up to 0.98, with variations according to the frequency band, the polarization, the sector of aspect angle, the sector of bistatic angle, and the number of (Tx,Rx) pairs used. The ATR system deployed in the field gives a probability of correct recognition of $0.82$, with variations according to the sector of aspect angle and the sector of bistatic angle.

Les émetteurs-récepteurs actuels tendent à devenir multi-standards c’est-àdireque plusieurs standards de communication peuvent cohabiter sur la même puce. Lespuces sont donc amenées à traiter des signaux de formes très différentes, et les composantsanalogiques subissent des contraintes de conception de plus en plus fortes associées au supportdes différentes normes. Les auto-interférences, c’est à dire les interférences généréespar le système lui-même, sont donc de plus en plus présentes, et de plus en plus problématiquesdans les architectures actuelles. Ces travaux s’inscrivent dans le paradigmede la « radio sale » qui consiste à accepter une pollution partielle du signal d’intérêtet à réaliser, par l’intermédiaire d’algorithmes, une atténuation de l’impact de ces pollutionsauto-générées. Dans ce manuscrit, on s’intéresse à différentes auto-interférences(phénomène de "spurs", de "Tx leakage", ...) dont on étudie les modèles numériques etpour lesquelles nous proposons des stratégies de compensation. Les algorithmes proposéssont des algorithmes de traitement du signal adaptatif qui peuvent être vus comme des« algorithmes de soustraction de bruit » basés sur des références plus ou moins précises.Nous dérivons analytiquement les performances transitionnelles et asymptotiques théoriquesdes algorithmes proposés. On se propose également d’ajouter à nos systèmes unesur-couche originale qui permet d’accélérer la convergence, tout en maintenant des performancesasymptotiques prédictibles et paramétrables. Nous validons enfin notre approchesur une puce dédiée aux communications cellulaires ainsi que sur une plateforme de radiologicielle. / Radio frequency transceivers are now massively multi-standards, which meansthat several communication standards can cohabit in the same environment. As a consequence,analog components have to face critical design constraints to match the differentstandards requirements and self-interferences that are directly introduced by the architectureitself are more and more present and detrimental. This work exploits the dirty RFparadigm : we accept the signal to be polluted by self-interferences and we develop digitalsignal processing algorithms to mitigate those aforementioned pollutions and improve signalquality. We study here different self-interferences and propose baseband models anddigital adaptive algorithms for which we derive closed form formulae of both transientand asymptotic performance. We also propose an original adaptive step-size overlay toimprove transient performance of our method. We finally validate our approach on a systemon chip dedicated to cellular communications and on a software defined radio.

Les émetteurs-récepteurs actuels tendent à devenir multi-standards c’est-àdireque plusieurs standards de communication peuvent cohabiter sur la même puce. Lespuces sont donc amenées à traiter des signaux de formes très différentes, et les composantsanalogiques subissent des contraintes de conception de plus en plus fortes associées au supportdes différentes normes. Les auto-interférences, c’est à dire les interférences généréespar le système lui-même, sont donc de plus en plus présentes, et de plus en plus problématiquesdans les architectures actuelles. Ces travaux s’inscrivent dans le paradigmede la « radio sale » qui consiste à accepter une pollution partielle du signal d’intérêtet à réaliser, par l’intermédiaire d’algorithmes, une atténuation de l’impact de ces pollutionsauto-générées. Dans ce manuscrit, on s’intéresse à différentes auto-interférences(phénomène de "spurs", de "Tx leakage", ...) dont on étudie les modèles numériques etpour lesquelles nous proposons des stratégies de compensation. Les algorithmes proposéssont des algorithmes de traitement du signal adaptatif qui peuvent être vus comme des« algorithmes de soustraction de bruit » basés sur des références plus ou moins précises.Nous dérivons analytiquement les performances transitionnelles et asymptotiques théoriquesdes algorithmes proposés. On se propose également d’ajouter à nos systèmes unesur-couche originale qui permet d’accélérer la convergence, tout en maintenant des performancesasymptotiques prédictibles et paramétrables. Nous validons enfin notre approchesur une puce dédiée aux communications cellulaires ainsi que sur une plateforme de radiologicielle. / Radio frequency transceivers are now massively multi-standards, which meansthat several communication standards can cohabit in the same environment. As a consequence,analog components have to face critical design constraints to match the differentstandards requirements and self-interferences that are directly introduced by the architectureitself are more and more present and detrimental. This work exploits the dirty RFparadigm : we accept the signal to be polluted by self-interferences and we develop digitalsignal processing algorithms to mitigate those aforementioned pollutions and improve signalquality. We study here different self-interferences and propose baseband models anddigital adaptive algorithms for which we derive closed form formulae of both transientand asymptotic performance. We also propose an original adaptive step-size overlay toimprove transient performance of our method. We finally validate our approach on a systemon chip dedicated to cellular communications and on a software defined radio.