Dans cette thèse, de nouvelles techniques d'égalisation et de précodage pour des systèmes multiporteuses ont été proposées et analysées. D'abord, la performance d'erreur des systèmes multiporteuses à base de bancs de filtres (FBMC) précodées a été analysée. Il a été découvert que cette performance est très sensible à l'égalisation complète des sous-canaux. Quand il y a de l'interference inter-symbole residuel qui vient de l'égalisation imparfaite du sous-canaux, il y a une perte de diversité; cette diversité peut être recuperée avec l'adoption d'un nombre de sous-canaux assez grand pour que chaque sous-canaux subisse de l'évanouissement plat ou avec l'utilisation d'un égaliseur de sous-canaux avec une longueur assez suffisante pour compenser cette réponse en fréquence. Après, une approximation pour la distribution du rapport signal/bruit-plus-interfèrence (SINR) des systèmes SC-FDE qui utilisent égalisation MMSE linéaire a été proposée. Cette approximation utilise la distribution lognormal avec la plus petit distance de Kullback-Leibler vers la vraie distribution, et il s'est révélé qu'elle est precise dans la performance d'erreur; elle sert aussi comme une abstraction de cette système. Avec cette abstraction, une méthode précise pour obtenir la performance d'erreur analytique codée de ces systèmes a été proposée. Finalement, des précodeurs Tomlinson-Harashima (THP) et égaliseurs (linéaires et à retour de décision) largement linéaires pour des systèmes SC-FDE ont été proposés. Ces précodeurs et égaliseurs ont une performance d'erreur mieux quand comparés avec ses versions strictement linéaires si des signaux de constellations impropres sont transmises. Aussi, la performance d'erreur quand des égaliseurs à retour de décision sont utilisés est moins sensible au longueur du filtre de retour. Quand des précodeurs largement linéaires sont utilisés, cette performance devient moins sensible à des erreurs d'estimation du canaux. / In this thesis, new precoding and equalization techniques for multicarrier systems were proposed and analyzed.First, the error performance of precoded filterbank multicarrier (FBMC) systems was analyzed. It was found out that this performance is highly sensitive to complete subchannel equalization. When there is residual intersymbol interference (ISI) stemming from imperfect subchannel equalization there is a loss of diversity; this loss can be prevented with the adoption of a number of subchannels large enough so that each subchannel suffers flat fading or with the utilization of a subchannel equalizer with sufficient length to compensate the subchannel frequency response.After that, an approximation for the signal to interference-plus-noise ratio (SINR) distribution of SC-FDE systems using linear MMSE equalization was proposed. This approximation uses the lognormal distribution with the smallest Kullback-Leibler distance to the true distribution, and was shown to be precise in the error performance sense; it serves as a system abstraction. With this abstraction, a precise method to obtain the analytical coded error performance of these systems was proposed.Finally, widely linear Tomlinson-Harashima precoders and equalizers (linear and decision-feedback) for SC-FDE systems were proposed. These precoders and equalizers have better error performance when compared to their strictly linear versions if signals coming from an improper constellation are transmitted. Their error performance when decision-feedback equalizers are used is less sensitive to the length of the feedback filter. When widely linear precoders are used, this error performance becomes less sensitive to channel estimation errors.

Ce travail concerne l'étude de techniques non linéaires ayant pour effet d'augmenter considérablement l'effet de conversion électromécanique des matériaux piézoélectriques. Les potentialités de ces techniques sont étudiées dans le cas de l'amortissement vibratoire et de la récupération d'énergie.<br />On distingue généralement deux types de contrôle vibratoire à l'aide d'éléments piézoélectriques : les techniques passives, qui consistent à connecter un réseau électrique passif aux éléments piézoélectriques et les techniques actives qui utilisent un calculateur associé à une source d'énergie électrique. Les techniques non linéaires étudiées, appelées SSD pour « Synchronized Switch Damping », sont qualifiées de semi passives car elles ne nécessitent pas de source d'énergie externe mais effectuent cependant un traitement intelligent de la tension. Ces techniques sont beaucoup plus efficaces et adaptables que les techniques passives. Elles sont, en outre, beaucoup plus facile à implémenter que les techniques actives et présentent des performances comparables. Les travaux réalisés proposent une nouvelle approche pour appréhender les techniques SSD, ainsi que plusieurs développement de ces techniques, notamment en proposant une loi de contrôle permettant d'optimiser l'amortissement dans le cas de structures et de signaux complexes.<br />Les techniques d'amortissement vibratoire SSD ont été adaptées à la récupération d'énergie. Il s'agit de convertir l'énergie vibratoire en énergie électrique afin de constituer des micro-générateurs d'une puissance comprise entre quelques μW et quelques centaines de mW. Ces générateurs répondent à un besoin croissant lié à la prolifération des capteurs, micro-actionneurs et autres dispositifs électroniques embarqués. Les techniques développées permettent d'accroître drastiquement les performances de ce type de micro-générateurs, ce qui permet de diminuer la quantité de matériau piézoélectrique nécessaire et d'envisager des applications nouvelles nécessitant plus d'énergie. Suivant les structures et le type de sollicitation, le gain apporté par les techniques non linéaires sur la puissance utile des micro-générateurs est plus ou moins important, et peut atteindre un facteur 10 par rapport aux techniques de récupération d'énergie classiques.

Les récents progrès en microélectronique ainsi qu'en récupération d'énergie ambiante permettent désormais d'envisager la conception de “systèmes intelligents” auto-alimentés.<br />L'objectif des travaux présentés est triple. Tout d'abord il s'agit de développer des techniques de contrôle vibratoire limitant la fatigue des matériaux et répondant aux contraintes énergétiques des systèmes embarqués.<br />Ensuite de nouvelles méthodes améliorant la récupération d'énergie ambiante sont exposées. Reposant sur un traitement non linéaire, ces techniques permettent un gain important en termes de puissance de sortie.<br />Enfin, des techniques de contrôle de santé structurale nécessitant une énergie très faible sont présentées, permettant ainsi le suivi à moindre coût de l'évolution de la structure.<br />Ces trois points seront finalement combinés, démontrant ainsi la faisabilité de contrôle de santé structurale totalement auto-alimenté. Cette dernière partie a été effectuée dans le cadre du projet européen ADVICE.

L'amortissement de vibrations mécaniques trouve de nombreuses applications dans le domaine du contrôle acoustique ou de la réduction de contraintes dans l'industrie (machine outil), le génie civil (structure autoportée), ou encore l'aéronautique (réduction de contrainte lors des manoeuvres). Les recherches actuelles tendent principalement vers des méthodes utilisant des matériaux piézoélectriques collés à la surface des structures à traiter. Une technique prometteuse, développée au LGEF à l'INSA de Lyon, est l'amortissement de vibration d'une structure mécanique par méthode SSDI (pour Synchronized Switch Damping on an Inductor). Cette technique d'amortissement semi-active exploite un procédé non-linéaire de traitement de la tension aux bornes d'un élément piézoélectrique, capteur et actionneur à la fois. L'objectif de ce travail est de réaliser l'intégration de l'électronique de traitement de la tension aux bornes des éléments piézoélectriques en technologie microélectronique, afin de pouvoir l'embarquer sur le patch piézoélectrique à terme. Une analyse des techniques d'amortissement publiées permet d'y situer ce travail et de définir les points clés de la technique SSDI. Au deuxième chapitre, un certain nombre de modèles sont développés pour comparer et guider les choix de conception, et pour aboutir à des arbitrages architecturaux. Le troisième chapitre développe la conception d'un ASIC dans une technologie avec option haute tension, comprenant une fonction haute-tension de traitement du signal piézoélectrique et une chaine basse-tension d'analyse, de décision et de commande. La première réalise l'inversion de la tension piézoélectrique à l'aide d'un circuit RLC passif de conversion de l'énergie. La seconde s'attache à la détection des extremums de manière à optimiser l'amortissement. Un diviseur de tension auto-adaptatif avec protection contre les surtensions ainsi qu'un détecteur de pic de tension permettent de réaliser cette opération. Ces fonctions sont caractérisées en simulations et mesures. Le fonctionnement de l'ASIC est ensuite testé sur une structure mécanique, et les performances sont décrites et interprétées au chapitre 4. Le comportement multi-mode et la grande dynamique des signaux mécaniques traités sont des avancées par rapport à la bibliographie.

La récupération d'énergie par élément piézoélectrique est une technique prometteuse pour les futurs systèmes électroniques nomades autoalimentés. L'objet de ce travail est d’analyser des approches simples et agiles d’optimisation de la puissance produite par un générateur piézoélectrique. D'abord le problème de l’optimisation de l’impédance de charge d’un générateur piézoélectrique sismique est posé. Une analyse du schéma équivalent global de ce générateur a été menée sur la base du schéma de Mason. Il est démontré que la puissance extraite avec une charge complexe adaptée puisse être constante quelle que soit la fréquence et que de plus elle est égale à la puissance extraite avec la charge résistive adaptée du même système sans pertes. Il est montré toutefois que la sensibilité de cette adaptation à la valeur de la réactance de la charge la rend difficilement réaliste pour une application pratique. Une autre solution pour améliorer l’énergie extraite est de considérer un réseau de générateurs positionnés en différents endroits d’une structure. Des simulations sont proposées dans une configuration de récupération d’énergie de type directe sur une plaque encastrée. Les générateurs piézoélectriques, associés à la technique SSHI, ont été reliés selon différentes configurations. Les résultats attestent que l’énergie produite ne dépend pas de façon critique de la manière dont sont connectés les éléments. Toutefois l’utilisation d’un seul circuit SSHI pour l’ensemble du réseau dégrade l’énergie extraite du fait des interactions entre les trop nombreuses commutations. Enfin une nouvelle approche non-linéaire est étudiée qui permet l’optimisation de l’énergie extraite tout en gardant une grande simplicité et des possibilités d’auto alimentation. Cette technique appelée S3H pour « Synchronized Serial Switch Harvesting » n’utilise pas d’inductance et consiste en un simple interrupteur en série avec l’élément piézoélectrique. La puissance récupérée est le double de celle extraite par les méthodes conventionnelles et reste totalement invariante sur une large gamme de résistances de charge. / Piezoelectric energy harvesting is a promising technique for battery-less miniature electronic devices. The object of this work is to evaluate simple and robust approaches to optimize the extracted power. First, a lightweight equivalent circuit derived from the Mason equivalent circuit is proposed. It’s a comprehensive circuit, which is suitable for piezoelectric seismic energy harvester investigation and power optimization. The optimal charge impedance for both the resistive load and complex load are given and analyzed. When complex load type can be implemented, the power output is constant at any excitation frequency with constant acceleration excitation. This power output is exactly the maximum power that can be extracted with matched resistive load without losses. However, this wide bandwidth optimization is not practical due to the high sensitivity the reactive component mismatch. Another approach to improve power extraction is the capability to implement a network of piezoelectric generators harvesting on various frequency nodes and different locations on a host structure. Simulations are conducted in the case of direct harvesting on a planar structure excited by a force pulse. These distributed harvesters, equipped with nonlinear technique SSHI (Synchronized Switching Harvesting on Inductor) devices, were connected in parallel, series, independently and other complex forms. The comparison results showed that the energy output didn’t depend on the storage capacitor connection method. However, only one set of SSHI circuit for a whole distributed harvesters system degrades the energy scavenging capability due to switching conflict. Finally a novel non-linear approach is proposed to allow optimization of the extracted energy while keeping simplicity and standalone capability. This circuit named S3H for “ Synchronized Serial Switch Harvesting” does not rely on any inductor and is constructed with a simple switch. The power harvested is more than twice the conventional technique one on a wide band of resistive load.

L’amortissement de vibrations mécaniques trouve de nombreuses applications dans le domaine du contrôle acoustique ou de la réduction de contraintes dans l’industrie (machine outil), le génie civil (structure autoportée), ou encore l’aéronautique (réduction de contrainte lors des manoeuvres). Les recherches actuelles tendent principalement vers des méthodes utilisant des matériaux piézoélectriques collés à la surface des structures à traiter. Une technique prometteuse, développée au LGEF à l’INSA de Lyon, est l’amortissement de vibration d’une structure mécanique par méthode SSDI (pour Synchronized Switch Damping on an Inductor). Cette technique d’amortissement semi-active exploite un procédé non-linéaire de traitement de la tension aux bornes d’un élément piézoélectrique, capteur et actionneur à la fois. L’objectif de ce travail est de réaliser l’intégration de l’électronique de traitement de la tension aux bornes des éléments piézoélectriques en technologie microélectronique, afin de pouvoir l’embarquer sur le patch piézoélectrique à terme. Une analyse des techniques d’amortissement publiées permet d’y situer ce travail et de définir les points clés de la technique SSDI. Au deuxième chapitre, un certain nombre de modèles sont développés pour comparer et guider les choix de conception, et pour aboutir à des arbitrages architecturaux. Le troisième chapitre développe la conception d’un ASIC dans une technologie avec option haute tension, comprenant une fonction haute-tension de traitement du signal piézoélectrique et une chaine basse-tension d’analyse, de décision et de commande. La première réalise l’inversion de la tension piézoélectrique à l’aide d’un circuit RLC passif de conversion de l’énergie. La seconde s’attache à la détection des extremums de manière à optimiser l’amortissement. Un diviseur de tension auto-adaptatif avec protection contre les surtensions ainsi qu’un détecteur de pic de tension permettent de réaliser cette opération. Ces fonctions sont caractérisées en simulations et mesures. Le fonctionnement de l’ASIC est ensuite testé sur une structure mécanique, et les performances sont décrites et interprétées au chapitre 4. Le comportement multi-mode et la grande dynamique des signaux mécaniques traités sont des avancées par rapport à la bibliographie. / Mechanical vibration damping has many applications in industry (machine tools), civil engineering (bridge construction), or aeronautics (stress during maneuvers). Current research tends mainly to use piezoelectric materials based methods. A promising technique from the LGEF of INSA Lyon is the vibration damping of mechanical structure by so-called SSDI method (for Synchronized Switch Damping on an Inductor). This semi-active damping technique uses a non-linear process to invert the voltage across a piezoelectric element. The element is used as sensor and actuator at a time. The aim of this work is to achieve an integration of the electronic process with the SSDI voltage inversion in a microelectronic technology. It has ultimately to embed the electronic controller on the piezoelectric patch. The analysis of published damping techniques can situate this work and identify key points of the SSDI technique. In the second chapter, several models are developed to compare and decide of the best architectural design choice. The third chapter presents an ASIC design in a technology with high voltage option. The ASIC consists of a high-voltage piezoelectric signal processing part and a low-voltage control part. The first function performs piezoelectric voltage reversing by mean of a passive RLC energy conversion circuit. The second function focuses on the extremum voltage detection circuit in order to optimize damping efficiency. A self-tuning voltage divider with over-voltage protection and a peak voltage detector can perform this operation. These functions are characterized by simulations and measurements. The ASIC operation is then tested with mechanical structures, and damping performances are described and interpreted in Chapter 4. The multimodal behavior and the mechanical signals high-dynamic are new contribution as regard in the bibliography.

Les systèmes d'imagerie connaissent un développement soutenu et deviennent de plus en plus largement répandus. Les systèmes d'imagerie mettent en oeuvre des principes physiques variés dont l'élaboration continue de progresser (imagerie par résonance magnétique, thermographie, imagerie multi et hyperspectrale, etc). Au delà de leur constitution physique variée, les images produites ont en commun de constituer un support d'information. Dans ce contexte, nous proposons une contribution à des approches informationnelles en imagerie. Celle-ci est guidée par une transposition du paradigme informationnel de Shannon en imagerie développée selon deux axes. Nous présentons une approche de traitements conjoints où la finalité informationnelle de l'acquisition des images est une donnée connue a priori et utilisée pour optimiser certains réglages de la chaîne d'imagerie. Différentes problématiques de traitements conjoints de l'information sont présentées (échelle d'observation - estimation conjointe, compression - estimation conjointe, et acquisition - compression conjointe). Nous étendons ensuite le champ des études en résonance stochastique en explorant de nouveaux couplages signal-bruit se prêtant à des effets de bruit utile, en imagerie cohérente et en imagerie par résonance magnétique. La résonance stochastique est également considérée, de par sa signification informationnelle spécifique (le bruit utile à l'information), comme un phénomène permettant de tester et d'approfondir l'appréciation des propriétés et potentialités de mesures entropiques ou informationnelles appliquées en imagerie. Elle est en particulier utilisée comme un banc de test pour confronter ces mesures informationnelles à des mesures psychovisuelles sur des images.

Ce document d'HDR a pour but de démontrer ma capacité à diriger des recherches et à encadrer de jeunes chercheurs. On y trouve une synthèse de mes travaux situés à l'interface de la physique et des sciences de l'information : - les effts de résonance stochastique où le bruit joue un rôle utile dans le traitement non linéaire de l'information. Un point de vue original est en particulier développé en direction d'effets de bruit utile utilisant les nonlinéarités naturelles des capteurs de signaux ou d'images donnant lieu à des réalisations expérimentales sur des systèmes optiques; - l'analyse de signaux et d'images à travers les échelles par des outils d'analyse fractale et multifractale; - le projet de recherche que je développe actuellement en direction du traitement du signal et de l'imagerie appliqués aux sciences du vivant (biomédicale et végétale). Ce faisant, le document présente la démarche suivie à travers ces thématiques de recherche tour à tour guidées par le développement de paradigmes informationnels, le déploiement d'outils transversaux issus de la théorie de l'information, le lien avec mes activités d'enseignement également situées à l'interface de la physique et des sciences de l'information ou encore les richesses, contraintes et opportunités liées à mon environnement actuel de recherche.

Les capteurs d'images en technologie CMOS se sont fortement développés grâce à l'avènement du multimédia à la fin des années 1990. Leurs caractéristiques optiques, ainsi que leur coût, les ont, en effet, destinés au marché “grand public”. Ces capteurs intègrent des fonctions analogiques et/ou numériques qui permettent la mise en œuvre de traitements au sein du pixel, autour du pixel, pour un groupe de pixels, en bout de colonne. Jusqu’à présent, les traitements intégrés dans le capteur sont de nature linéaire et consistent en général à réaliser des convolutions. Si ces traitements sont incontournables dans une chaîne de vision, ils sont toutefois limités et ne permettent pas à eux seuls de réaliser une application complexe du type reconnaissance d’objets dans une scène naturelle. Pour cela, des traitements non-linéaires associés à des classifieurs haut-niveau permettent de compléter les traitements linéaires en vue de répondre aux contraintes d’une application complexe. Dans ce contexte, nous montrons que les approches “mathématique-inspirées” et “neuro-inspirées” nécessitent toutes deux l'emploi de traitements non-linéaires basés sur les opérateurs "min" et "max". De ce fait, nous proposons un modèle architectural permettant d'intégrer dans le plan focal les traitements non-linéaires. Ce modèle est basé sur une topologie de PEs 4-connexes et présente un double avantage par rapport aux solutions classiques. D'une part pour ce qui concerne l'augmentation de la vitesse d'exécution des traitements non linéaires mais aussi pour les aspects de réduction de la consommation qui sont liés aux nombres d'accès aux mémoires externes dans le cas des systèmes numériques. Le circuit NLIP (Non Linear Image processing) qui a été conçu durant cette thèse comporte 64 x 64 pixels associés à 64 x 64 processeurs analogiques élémentaires. Chaque pixel a une taille de 40 m de côté et présente un facteur de remplissage de 18% ce qui garantit une bonne sensibilité. La fabrication du circuit a été réalisée en technologie CMOS 0.35 m et les tests fonctionnels réalisés ont permis de valider le modèle de rétine proposé / CMOS images sensors have grown significantly since the late 1990s in connection with the huge developments of multimedia applications. Their optical characteristics, as well as their cost, have, in fact targeted for the consumer market. These sensors include analog and / or digital functions that allow the implementation of treatments within the pixel around the pixel, for a group of pixels in the end of column. Until now, processing inside the sensor.Until now, image processing inside the CMOS sensor are linear and based on convolutions. If these treatments are essential in a chain of vision, they are however limited and do not allow themselves to make a complex application like objects recognition in a natural scene. For this, non-linear associated with high-level classifiers can complete linear processing to meet the demands of a complex application. In this context, we show that “mathematically inspired” and “neuron-inspired” approaches both require the use of non-linear operators based on the “min” and “max” treatments. Therefore, we propose an architectural model for integrating non-linear processes in the focal plane. This model is based on a topology of “4-connected” PE and has two advantages over conventional solutions. Firstly with regard to increasing the speed of execution of nonlinear treatments but also aspects of reduced consumption are related to access to external memory in the case of digital based systems. The NLIP circuit (Non Linear Image Processing), which was designed during this thesis has 64 x 64 pixels associated with 64 x 64 elementary analog processors. Each pixel has a size of 40 m from the side and has a fill factor of 18%, which ensures a good sensitivity. The fabrication of the circuit was carried out in CMOS technology 0.35 m and functional tests were used to validate the proposed model retina