Au cours des dernières années, différents travaux de recherche ont été consacrés à l’étude et au développement des solutions de type réseau de capteurs sans fil. Ces travaux sont une réponse à l’augmentation du nombre d’objets connectés dans le monde avec le développement de l’internet des objets. La consommation d’énergie dans les réseaux de capteurs représente un des domaines les plus étudiés. Les communications dans les réseaux de capteurs représentent une part importante de leur consommation. Afin de réduire la consommation des communications dans les réseaux de capteurs, différents niveaux d’optimisation sont possibles. Dans ce contexte, différents travaux de recherches visant à réduire la consommation des émetteurs-récepteurs, grâce à des architectures innovantes, ont été menés à l’IM2NP. Beaucoup de ces travaux ont été consacrés aux radios impulsionnelles Ultra-Large Bande (ULB). En outre, les protocoles d’accès aux canaux de communications dans les réseaux de capteurs sont également importants quant à l’optimisation de leurs consommations. Les travaux de recherches proposés dans ce manuscrit, basés sur les travaux sur les radios impulsionnelles ULB réalisés au sein de l’IM2NP, proposent une optimisation de la consommation des réseaux de capteurs sur deux niveaux. Tout d’abord, un protocole asynchrone à base de radio de réveil d’accès au canal de communication adapté aux communications ULB est proposé ainsi que son étude énergétique. Suite à l'étude du protocole asynchrone proposé, la conception d’un récepteur de réveil semi-passif et d’un générateur d’impulsion ULB sous-GHz est abordée, et leurs performances en termes d’efficacité énergétique discutées. / In recent years, research has been devoted to the study and development of Wireless Sensor Network (WSN). These research are a response to the increase of the connected objet number in the world with development of smartphones and Internet of things (IoT). Energy consumption in sensor networks is one of the most studied areas. In fact, the optimization of the consumption of the elements making up the sensor networks allows a reduction in the costs associated with their installation, operation and maintenance. Communications in sensor networks represent an important part of their power consumption. In order to reduce the consumption of communications in sensor networks, different levels of optimization are possible. In this context, various IM2NP research projects aimed at reducing transceiver consumption through innovative design were carried out. Much of this work has been devoted to Impulsionnal Radio Ultra-Wide Band (IR-UWB). Moreover, MAC protocols used to manage the communication channel access in wireless sensor networks are also important in optimizing their consumption. The research work proposed in this manuscript, based on the work on impulse radios UWB carried out within the IM2NP, propose an optimization of the consumption of sensor networks on two levels. Firstly, an asynchronous MAC protocol based on radio wake-up radio suitable for UWB communications is proposed as well as its energy study. Following the study of the proposed asynchronous protocol, the design of a low power semi-passive wake-up receiver (WuRx) and a UWB sub-GHz impulse generator is presented and their performance in terms of energy efficiency discussed.

Dans cette thèse, nous proposons une méthodologie de conception d’architectures de communication dédiées aux réseaux de capteurs basées sur la technique de radio impulsionnelle pour les transmissions ultralarge bande (ULB). La technique impulsionnelle proposée ici repose sur la modulation de forme d’impulsion. L’approche de conception architecturale présentée dans cette thèse se focalise plus particulièrement sur la forme des impulsions et leur génération, qui revêt un intérêt majeur puisqu’elle constitue le support de l’information échangée. L’étude sur le choix de la forme d’impulsion nous a conduit à proposer deux architectures différentes. Une première architecture repose sur les polynômes orthogonaux, et plus particulièrement sur les polynômes d’Hermite, pour la génération des impulsions, et sur une architecture de corrélation pour la détection et la reconnaissance des trains d’impulsions transmis. La deuxième architecture est basée sur la transformée en paquets d’ondelettes discrète et peut être exploitée selon deux modes d’utilisation différents, mono et multiutilisateurs. L’utilisation d’une architecture de synthèse à l’émission et d’analyse à la réception ouvre une nouvelle orientation pour les communications numériques, permettant à la transformée en ondelettes d’assurer à la fois la génération des impulsions à l’émission et leur reconnaissance à la réception. Un intérêt immédiat de la technique proposée permet notamment de faciliter l’accès multiutilisateurs au canal ultralarge bande, et d’autoriser des communications simultanées (Many-to-one, des nœuds vers le puits) ou du broadcast (One-to-many, du puits vers les nœuds) sans surcharger la couche MAC. L’architecture proposée s’inscrit donc à l’interface des couches PHY et MAC et permet de relâcher les contraintes de conception spécifiques à ces couches / In this thesis, we propose a design methodology for communication architectures dedicated to wireless sensor network based on impulse radio techniques for UWB communications. The impulse technique proposed in this work relies on pulse shape modulation. The architecture design approach proposed in this thesis focuses on pulses shape and their generation, which is of major interest as it constitutes the carrier of the information exchanged. The study on the choice of pulse shape led us to propose two different architectures. The first one is based on orthogonal polynomials, more especially on the Hermite polynomials, for impulse generation, and on a correlation architecture for detection and recognition of transmitted impulses. The second architecture is based on discrete wavelet packet transform and can be used according two different modes, mono and multi-users. The use of both synthesis and analysis architectures for emitter and receiver, respectively, offers a new way for digital communications and allows the wavelet transform to ensure the impulses generation on the transmitter and their recognition on the receiver. A major interest point of the proposed technique is to facilitate the multi-users access to the ultra-wideband channel and to allow simultaneous communications (many-to-one, from the sensors to the sink) or broadcast (one-to-many, from the coordinator to the nodes) but without overloading the MAC layer. Hence, the proposed architecture is part of the interface between both PHY and MAC layers, and allows to release their specific design constraints

Dans les systèmes ultra large bande (ULB), des impulsions RF extrêmement étroites sont employées pour la communication entre émetteurs et récepteurs. En raison de leur bande passante très large, les signaux ULB entraînent un grand nombre de trajets multiples résolvables et donc réduisent les interférences provoquées par la superposition de ces trajets. Toutefois, cela nécessite la mise en œuvre d'un système de réception complexe. Le retournement temporel (RT) est une approche qui permet d'utiliser des récepteurs simples en déplaçant la complexité vers l'émetteur. Le signal reçu RT est très focalisé dans les domaines temporel et spatial. Les focalisations temporelle et spatiale permettent de réduire respectivement l'interférence entre symboles et l'interférence multi-utilisateurs. Dans cette thèse, nous étudions la technique du RT en ULB et son application aux communications haut débit. La validation de la technique du RT dans le laboratoire est réalisée et une étude paramétrique du RT est faite avec différentes configurations multi-antennes (SISO, SIMO, MISO et MIMO). Les résultats montrent que la configuration RT-MIMO présente les meilleures performances. La robustesse du RT est également étudiée dans des environnements non stationnaires. La robustesse du RT est également étudiée dans des environnements non stationnaires. Les résultats suggèrent que si le canal garde une certaine corrélation partielle avec le canal précédent, le RT peut donner une bonne robustesse même si la corrélation totale des canaux est très faible. Bien que les performances obtenues soient meilleures avec des bandes passantes supérieures, la dégradation des performances avec les variations dans le canal reste du même ordre de grandeur. Ensuite, le RT est étudié du point de vue communication. Des validations expérimentales d'une nouvelle technique de modulation et la communication à haut débit sont effectuées pour des canaux denses en trajets multiples. On montre que les performances de TEB en indoor sont meilleures que celles obtenues en chambre réverbérante. Par ailleurs, avec une transmission RT par sous bandes, qui constitue une sorte d'égalisation, le TEB peut être sensiblement amélioré. Enfin, la communication RT multi-utilisateur a été examinée avec des modifications dans le pré-filtre. Le RT modifié donne de meilleures performances que le RT classique ou le RT avec permutation circulaire. Les résultats présentés dans cette thèse suggèrent que le RT en ULB, qui peut être facilement combiné avec les systèmes MIMO, est une approche prometteuse pour les futurs réseaux de locaux et personnels (WLAN et WPAN) sans fils.

Les systèmes de localisations existants présentent des insuffisances au niveau desapplications en environnement indoor. Ces insuffisances se traduisent soit par la non-disponibilité des signaux (le GPS) dans ce type d'environnement, soit par leur manque de précision quand ils sont prévus à cet effet. Ces limites ont motivé la recherche de nouvelles techniques. Les transmissions Ultra-Large Bande (ULB) de par leur singularité en matière de précision et de faible puissance d'émission, s'avèrent être la meilleure réponse à la problématique ci-dessus. Nous avons donc choisi cette technique pour mettre au point un procédé de localisation endogène permettant d'assurer, avec précision, la continuité des services de localisation dans les environnements indoor. Ce procédé s'appuie sur la localisation en trois dimensions (3-D). Il utilise la technique temporelle de différenciation du temps d'arrivée (TDOA). Cette technique permet de mieux tirer profit de la bonne résolution temporelle de l'ULB et de pallier au problème de synchronisation entre l'émetteur et le récepteur. Deux techniques de transmission ULB ont été étudiées : la technique d'accès multiples par séquence directe (DS-CDMA) et la technique d'accès multiples par sauts temporels (TH-CDMA). Une autre étape importante de notre étude a été de développer un algorithme non-itératif de localisation en 3-D pour réduire le temps de calcul. En effet, l'utilisation d'un algorithme non-itératif permet d'optimiser les performances du système en termes de temps de calcul voire de coûts de consommation énergétique. Après l'étude théorique des différents blocs du système, le système a été tout d'abord simulé dans le canal Gaussien (AWGN) et les canaux IEEE.802.15.4a indoor. Il a été ensuite testé dans différents environnements réels de types laboratoires. Les résultats obtenus démontrent que l'utilisation des techniques de transmission basées sur la technologie radio impulsionnelle ULB permet d'obtenir un système de localisation en 3-D avec une précision centimétrique pour les applications indoor.

Nous nous intéressons dans cette thèse à la vision à travers les murs (VTM) par radar ULB, avec comme objectif la mise au point d’une chaîne de traitement de l’information (CTI) complète pouvant être utilisée par différents types de radar imageur VTM. Pour ce faire, nous souhaitons prendre en compte le moins possible d’information a priori, ni sur les cibles, ni sur leur contexte environnemental. De plus, la CTI doit répondre à des critères d’adaptabilité et de modularité pour pouvoir traiter les informations issues de deux types de radar, notamment, le pulsé et le FMCW, développés dans deux projets dans lesquels s’inscrivent les travaux de cette thèse. L’imagerie radar est un point important dans ce contexte, nous l’abordons par la combinaison des algorithmes de rétroprojection et trilatération, et montrons l’amélioration apportée avec l’utilisation d’un détecteur TFAC prenant en compte la forme des signatures des cibles. La mise au point de la CTI est notre principale contribution. Le flux d’images radar obtenu est scindé en deux parties. La première séquence dynamique contient les cibles mobiles qui sont ensuite suivies par une approche multihypothèse. La seconde séquence statique contient les cibles stationnaires ainsi que les murs intérieurs qui sont détectés par une méthode s’appuyant sur la transformée de Radon. Nous avons produit un simulateur VTM fonctionnant dans le domaine temporel et fréquentiel pour mettre au point les algorithmes de la CTI et tester leur robustesse. Plusieurs scénarios de simulation ainsi que de mesures expérimentales, montrent que la CTI construite est pertinente et robuste. Elle est ainsi validée pour les deux systèmes radar. / This report is focused on Through-the-wall surveillance (TTS) using UWB radar, with the objective of developing a complete information processing pipeline (IPP) which can be used by different types of imaging radar. To do this, we want to take into account any a priori information, nor on the target, or their environmental context. In addition, the IPP must meet criteria of adaptability and modularity to process information from two types of radar, including pulsed and FMCW developed in two projects that are part of the work of this thesis. Radar imaging is an important point in this context ; we approach it by combining backprojection and trilateration algorithms and show the improvement with the use of a CFAR detector taking into account the shape of the targets signatures.The development of the IPP is our main contribution. The flow of radar images obtained is divided into two parts. The first dynamic sequence contains moving targets are tracked by a multiple hypothesis approach. The second static sequence contains stationary targets and interior walls that are highlighted by Radon transformbases approach. We developed a simulator operating in time and frequency domain to design the algorithms of the IPP and test their robustness. Several simulated scenarios and experimental measurements show that our IPP is relevant and robust. It is thus validated for both radar systems.

Les systèmes électroniques sont au cœur de notre vie quotidienne, ils sont intégrés dans la plupart des objets que nous utilisons chaque jour, et dans des secteurs clés comme l’aéronautique, l’automobile, le spatial, l’électronique grand public... Les techniques d’alimentation classiques (pile ou batterie) restent difficiles à envisager dans certaines applications car, elles sont limitées en autonomie, elles nécessitent des remplacements périodiques et leur recyclage est coûteux. Afin de détourner ces contraintes, le concept de la transmission d’énergie sans fil se présente comme une alternative aux systèmes d’alimentation classiques. La récupération d'énergie électromagnétique a beaucoup attiré l'attention puisque la puissance RF est largement diffusée à partir de nombreuses ressources électromagnétiques fiables. De plus, les circuits électroniques et notamment microondes deviennent de plus en plus rapides à cause des fréquences de travail de plus en plus élevées. L’analyse fréquentielle seule ne peut répondre à un certain nombre d’interrogations dans ces circuits. Une analyse purement temporelle devient nécessaire pour résoudre et répondre à toutes les problématiques. Parmi les problèmes posés dans les circuits microondes, on s’intéresse à deux approches totalement complémentaires:• L’Intégrité du Signal qui représente le dysfonctionnement des circuits du à la distorsion des signaux. • La Compatibilité ElectroMagnétique qui est le résultat de l’encombrement des composants électroniques dans les circuits. La première approche se base sur les modèles de composants et peut prédire parfaitement la qualité des signaux pendant le placement et le routage des cartes électroniques. En revanche, il sera très difficile de mettre en évidence les causes du comportement anormal du circuit en question. La deuxième approche complémentaire de la première, et qui est l’analyse par la compatibilité électromagnétique permettra de couvrir les causes du problème tels que diaphonie (Cross Talk), rayonnement et susceptibilité des systèmes dans le but de corriger le circuit pour qu’il fonctionne correctement.La méthode de travail adoptée dans cette thèse consiste dans un premier temps à identifier les différents problèmes. Ensuite proposer des solutions via des codes de calcul existants (FDTD, FEM, MoM…) et qu’on pourra développer (2D) ou bien via des logiciels adaptés tels que Spice, Matlab, EMPro, ADS…..etc. / Electronic systems are integrated into most objects that we use every day, also in different key sectors such as, automotive, railway, spacial, defense and consumer electronics... Conventional feeding techniques remain difficult to envisage in certain applications because they are limited in their autonomy energy, and they require periodic replacements and their recycling is expensive. In this mind, the wireless power transfer is a very interesting solution, less expensive and aesthetic. This solution needs to pick up the RF power transmitted through the free space by a Rectenna and convert it to a DC voltage, to feed one or several wireless devices or to increase the operating life of batteries.The high operating frequencies makes the microwave circuits faster. Frequency analysis can’t answer a number of questions in these circuits. The introduction of the temporal analysis becomes necessary to solve and answer all the problems encountered. In fact, we are interested in two complementary approaches:• Signal integrity, which represents the malfunction of the circuits due to the distortion of the signals• ElectroMagnetic Compatibility, which is the result of the congestion of the electronic components in the circuits.• The first approach is based on component models and can perfectly predict signal quality during placement and routing of electronic boards. On the other hand, it will be difficult to highlight the causes of the abnormal behavior of the circuit. The second approach, is complementary of the first one, which is the analysis by the electromagnetic compatibility, who will allow to cover the causes of the problems such as cross talk, radiation and defined the susceptibility of this systems to work correctly.The working method adopted in this thesis consists in first identifying the various problems. Then propose solutions via existing calculation codes (FDTD, FEM, MoM ...) who can be developed or via the software such as Spice, Matlab, EMPro, ADS …Key words: Wireless power transfer, UWB systems, numerical methods, Rectenna systems, RF/DC converter, EMC analysis.

Avec le contexte actuel des défis sécuritaires, la détection de petits objets devient un enjeu majeur pour lutter contre les actes malveillants. Mais les évolutions des technologies en bandes millimétriques et le potentiel de ces bandes, notamment autour de 60 GHz peuvent faciliter la conception de systèmes de plus en plus performants, permettant de répondre à ces enjeux. Cette thèse s’inscrit dans ce contexte pour proposer un système de détection ultra-large bande (ULB) millimétrique pour des applications de courte portée. Après un état de l'art détaillé des fondamentaux de la détection, nous présentons une validation de l'estimation de la surface équivalente radar (SER) par simulation avec le logiciel HFSS et par mesures en chambre anéchoïque. Ces deux études nous ont permis d'identifier les éléments essentiels à l'analyse système et les paramètres critiques de la détection d'objets canoniques cylindres et plaques. Une fois l'analyse système cernée, nous avons proposé une approche de détection multi-bande basée sur le radar monostatique pour améliorer la couverture de détection des systèmes, mais aussi et surtout pour pallier la limitation de la détection des objets en fonction de leur orientation par rapport à l'axe de viser de l'antenne. Nous avons également proposé une architecture (émetteur-récepteur) simple pouvant être associée au principe de détection. Le dimensionnement du système nous a permis d'identifier les amplificateurs faible bruit (LNAs) comme éléments critiques du récepteur et ainsi d'établir leurs spécifications pour atteindre les performances visées. Une comparaison des technologies SG13S de IHP et D007IH de OMMIC est menée dans la dernière partie de ce travail. Le choix de la technologie est justifié et la conception des LNAs sous ADS Keysight est détaillée. Une simulation de l'ensemble du système basée sur les performances des LNAs conçus et sur les simulations de SER est présentée pour illustrer la mise en œuvre de la détection. Enfin, les performances de la détection sont évaluées pour des cibles cylindriques et les apports du système proposé sont illustrés en comparaison avec une détection classique mono-bande / With the current context of security challenges, small objects detection is becoming a major issue in the fight against malicious acts. However, developments in millimeter-band technologies and the potential of these bands, particularly around 60 GHz, can facilitate the design of increasingly efficient systems to meet these challenges. This thesis is part of this context to propose an ultra-wideband (UWB) millimeter-wave detection system for short-range applications.After a detailed state-of-the-art of the fundamentals of detection, we present a validation of the radar cross-section (RCS) estimation by simulations with HFSS software and by measurements in anechoic chamber. These two studies allowed us to identify the essential elements for system analysis and the critical parameters for the detection of canonical objects such as cylinders and plates.Once the system analysis was identified, we proposed a multi-band detection approach based on monostatic radar to improve the detection coverage of the systems, but also and especially to overcome the limitation of objects detection according to their orientation in relation to the antenna boresight. We also proposed a simple architecture (transceiver) that could be associated with the detection principle. The system design allowed us to identify low noise amplifiers (LNAs) as critical elements of the receiver and thus establish their specifications to achieve the targeted performances.A comparison of IHP's SG13S and OMMIC's D007IH technologies is conducted in the last part of this work. The choice of technology is justified and the design of LNAs under ADS Keysight is detailed. A simulation of the entire system based on the performance of the designed LNAs and RCS simulations is presented to illustrate the implementation of detection. Finally, detection performances are evaluated for cylindrical targets and the contributions of the proposed system are illustrated in comparison with conventional single-band detection

Les systèmes de localisations existants présentent des insuffisances au niveau desapplications en environnement indoor. Ces insuffisances se traduisent soit par la non-disponibilité des signaux (le GPS) dans ce type d’environnement, soit par leur manque de précision quand ils sont prévus à cet effet. Ces limites ont motivé la recherche de nouvelles techniques. Les transmissions Ultra-Large Bande (ULB) de par leur singularité en matière de précision et de faible puissance d’émission, s’avèrent être la meilleure réponse à la problématique ci-dessus. Nous avons donc choisi cette technique pour mettre au point un procédé de localisation endogène permettant d’assurer, avec précision, la continuité des services de localisation dans les environnements indoor. Ce procédé s’appuie sur la localisation en trois dimensions (3-D). Il utilise la technique temporelle de différenciation du temps d’arrivée (TDOA). Cette technique permet de mieux tirer profit de la bonne résolution temporelle de l’ULB et de pallier au problème de synchronisation entre l’émetteur et le récepteur. Deux techniques de transmission ULB ont été étudiées : la technique d’accès multiples par séquence directe (DS-CDMA) et la technique d’accès multiples par sauts temporels (TH-CDMA). Une autre étape importante de notre étude a été de développer un algorithme non-itératif de localisation en 3-D pour réduire le temps de calcul. En effet, l’utilisation d’un algorithme non-itératif permet d’optimiser les performances du système en termes de temps de calcul voire de coûts de consommation énergétique. Après l’étude théorique des différents blocs du système, le système a été tout d’abord simulé dans le canal Gaussien (AWGN) et les canaux IEEE.802.15.4a indoor. Il a été ensuite testé dans différents environnements réels de types laboratoires. Les résultats obtenus démontrent que l’utilisation des techniques de transmission basées sur la technologie radio impulsionnelle ULB permet d’obtenir un système de localisation en 3-D avec une précision centimétrique pour les applications indoor. / Existing positioning systems have deficiencies in applications indoor environment. These deficiencies result is the non-availability of signals (GPS) in this type of environment, either by their lack of precision when they are provided for this purpose. These limitations have led to research for novel techniques. Ultra-Wide Band (UWB) transmission techniques due to their uniqueness in terms of fine resolution and low power emission, prove to be the best answer to this problem. So we choose this technique to develop a process to ensure self location, with accuracy, continuity of location services in indoor environments. This method is based on the location in three dimensions (3-D). It uses the Time Difference Of Arrival (TDOA) technique. This technique allows to better take advantage of the high time resolution of the ULB and overcome the problem of synchronization between the transmitter and the receiver. Two UWB transmission techniques were studied: the Direct Sequence multiple access technique (DS-CDMA) and Time Hopping (TH-CDMA) multiple access technique. Another important step in our study was to develop a non-iterative positioning algorithm in 3-D to reduce the computation time. Indeed, using a non-iterative algorithm optimizes system performance in terms of computing time or cost of energy consumption. After the theoretical study of the system, the proposed positioning system was firstly simulated in Additive White Gaussian Noise (AWGN) channel and indoor IEEE.802.15.4a channels. It was then tested in various real environments types laboratories. The results obtained show that using UWB impulse radio technology transmission techniques allows to achieve a high accuracy 3-D location system in order of centimeter for applications in indoor environments.

Dans ce travail de thèse, nous proposons d'utiliser la technologie ULB pour établir un nouveau système de communication haut débit Radio Impulsionnelle (IR-ULB), basé sur un nouveau schéma de modulation nommé M-OAM (M-Orthogonal Amplitude Modulation) et les formes d'ondes orthogonales MGF (Modified Gegenbaeur Function). Ce système est dédié aux applications sans fil à courte portée, notamment les communications multimédia et le transport intelligent (ITS). Les modulations M-OAM proposées, sont évaluées sous le canal AWGN et les canaux ULB à trajets multiples à savoir IEEE.802.15.3a et IEEE.802.15.4a. Les résultats de simulation montrent que la performance du système proposé, en terme de taux d'erreur binaire (BER), est du même ordre que celle des modulations ULB traditionnelles. En outre, les modulations M-OAM offrent un très haut débit de données avec une faible complexité d'implémentation. En effet, la conception d'un tel système doit certes fournir un très haut débit mais aussi servir un grand nombre d'utilisateurs simultanément avec une bonne qualité de service. Dans cette optique, une nouvelle technique d'accès multiple DS-MGF-OAM est proposée. Ce système multi-utilisateur fait usage de la technique DS-ULB et l'orthogonalité des impulsions MGF pour permettre une communication efficace avec un nombre maximal d'utilisateurs. Néanmoins, l'effet de trajets multiples réduit la qualité de la transmission. Ainsi, la contribution de deux architectures de réception dans l'amélioration des performances est étudiée, à savoir le récepteur RAKE et l'égaliseur MMSE (Minimum Mean Square Error). Cette étude montre que le système de communication M-OAM offre de bonnes performances en terme de qualité de services (QoS). Après l'étape de simulation, les résultats expérimentaux des systèmes proposés dans les environnements réelles sont analysés et discutés. Dans la dernière partie de ce document, nous avons réalisé un prototype de traitement en temps réel sur une plateforme FPGA, offrant des temps de calcul à 3GHz grâce à des algorithmes parallélisables sur des architectures re-configurables. / In this thesis, we propose to use the UWB technology to establish a new communications system Impulse Radio (IR-UWB), based on a new modulation scheme called M-OAM (Orthogonal M-Amplitude Modulation) and orthogonal waveforms MGF (Modified Gegenbauer Function). This system is dedicated to the short-range wireless applications, especially multimedia communications and intelligent transportation (ITS). The proposed modulations M-OAM, are evaluated under the AWGN channel and UWB multipath channel namely IEEE.802.15.3a and IEEE.802.15.4a. Simulation results show that the performance of the proposed system in terms of bit error rate (BER) is the same as that of traditional UWB modulations. In addition, M-OAM modulations offer the highest data rate with low complexity of implementation. Indeed, the design of a such system should certainly provide a very high speed but also serve a large number of concurrent users with good quality of service. In this context, a new multiple access technique DS-MGF-OAM is proposed. This multi-user system makes use of the DS-UWB technology and orthogonal pulses MGF to enable effective communication with a maximum number of users. However, the multi-path effect reduces the quality of the transmission. Thus, the contribution of two receiver architectures in performance improvement is studied, namely the RAKE receiver and MMSE (Minimum Mean Square Error) equalizer. This study shows that the M-OAM communication system offers good performance in terms of quality of service (QoS). Following the simulation step, the experimental results of the proposed systems in real environments are analyzed and discussed. In the last part of this document, we performed a real-time protoptype on an FPGA platform, offering calculation time of 3GHz through parallelizable algorithms on reconfigurable architectures.

Dans ce travail de thèse, nous présentons nos travaux qui portent sur l’identification des cibles en général par un radar Ultra-Large Bande (ULB) et en particulier l’identification des cibles dont la surface équivalente radar est faible telles que les piétons et les cyclistes. Ce travail se décompose en deux parties principales, la détection et la reconnaissance. Dans la première approche du processus de détection, nous avons proposé et étudié un détecteur de radar ULB robuste qui fonctionne avec des données radar 1-D (A-scan) à une dimension. Il exploite la combinaison des statistiques d’ordres supérieurs et du détecteur de seuil automatique connu sous le nom de CA-CFAR pour Cell-Averaging Constant False Alarm Rate. Cette combinaison est effectuée en appliquant d’abord le HOS sur le signal reçu afin de supprimer une grande partie du bruit. Puis, après avoir éliminé le bruit du signal radar reçu, nous implémentons le détecteur de seuil automatique CA-CFAR. Ainsi, cette combinaison permet de disposer d’un détecteur de radar ULB à seuil automatique robuste. Afin d’améliorer le taux de détection et aller plus loin dans le traitement, nous avons évalué l’approche des données radar 2-D (B-Scan) à deux dimensions. Dans un premier temps, nous avons proposé une nouvelle méthode de suppression du bruit, qui fonctionne sur des données B-Scan. Il s’agit d’une combinaison de WSD et de HOS. Pour évaluer les performances de cette méthode, nous avons fait une étude comparative avec d’autres techniques de suppression du bruit telles que l’analyse en composantes principales, la décomposition en valeurs singulières, la WSD, et la HOS. Les rapports signal à bruit -SNR- des résultats finaux montrent que les performances de la combinaison WSD et HOS sont meilleures que celles des autres méthodes rencontrées dans la littérature. A la phase de reconnaissance, nous avons exploité les données des deux approches à 1-D et à 2-D obtenues à partir du procédé de détection. Dans la première approche à 1-D, les techniques SVM et le DBN sont utilisées et évaluées pour identifier la cible en se basant sur la signature radar. Les résultats obtenus montrent que la technique SVM donne de bonnes performances pour le système proposé où le taux de reconnaissance global moyen atteint 96,24%, soit respectivement 96,23%, 95,25% et 97,23% pour le cycliste, le piéton et la voiture. Dans la seconde approche à 1-D, les performances de différents types d’architectures DBN composées de différentes couches ont été évaluées et comparées. Nous avons constaté que l’architecture du réseau DBN avec quatre couches cachées est meilleure et la précision totale moyenne peut atteindre 97,80%. Ce résultat montre que les performances obtenues avec le DBN sont meilleures que celles obtenues avec le SVM (96,24%) pour ce système de reconnaissance de cible utilisant un radar ULB. Dans l’approche bidimensionnelle, le réseau de neurones convolutifs a été utilisé et évalué. Nous avons proposé trois architectures de CNN. La première est le modèle modifié d’Alexnet, la seconde est une architecture avec les couches de convolution arborescentes et une couche entièrement connectée, et la troisième est une architecture avec les cinq couches de convolution et deux couches entièrement connectées. Après comparaison et évaluation des performances de ces trois architectures proposées nous avons constaté que la troisième architecture offre de bonnes performances par rapport aux autres propositions avec une précision totale moyenne qui peut atteindre 99,59%. Enfin, nous avons effectué une étude comparative des performances obtenues avec le CNN, DBN et SVM. Les résultats montrent que CNN a les meilleures performances en termes de précision par rapport à DBN et SVM. Cela signifie que l’utilisation de CNN dans les données radar bidimensionnels permet de classer correctement les cibles radar ULB notamment pour les cibles à faible SER et SNR telles que les cyclistes ou les piétons. / In this thesis work, we focused on the study and development of a system identification using UWB-Ultra-Wide-Band short range radar to detect the objects and particularly the vulnerable road users (VRUs) that have low RCS-Radar Cross Section- such as cyclist and pedestrian. This work is composed of two stages i.e. detection and recognition. In the first approach of detection stage, we have proposed and studied a robust UWB radar detector that works on one dimension 1-D radar data ( A-scan). It relies on a combination of Higher Order Statistics (HOS) and the well-known CA-CFAR (Cell-Averaging Constant False Alarm Rate) detector. This combination is performed by firstly applying the HOS to the received radar signal in order to suppress the noise. After eliminating the noise of the received radar signal, we apply the CA-CFAR detector. By doing this combination, we finally have an UWB radar detector which is robust against the noise and works with the adaptive threshold. In order to enhance the detection performance, we have evaluated the approach of using two dimensions 2-D (B-Scan) radar data. In this 2-D radar approach, we proposed a new method of noise suppression, which works on this B-Scan data. The proposed method is a combination of WSD (Wavelet Shrinkage Denoising) and HOS. To evaluate the performance of this method, we performed a comparative study with the other noise removal methods in literature including Principal Component Analysis (PCA), Singular Value Decomposition (SVD), WSD and HOS. The Signal-to-Noise Ratio (SNR) of the final result has been computed to compare the effectiveness of individual noise removal techniques. It is observed that a combination of WSD and HOS has better capability to remove the noise compared to that of the other applied techniques in the literature; especially it is found that it allows to distinguish efficiency the pedestrian and cyclist over the noise and clutters whereas other techniques are not showing significant result. In the recognition phase, we have exploited the data from the two approaches 1-D and 2-D, obtained from the detection method. In the first 1-D approach, Support Vector Machines (SVM) and Deep Belief Networks (DBN) have been used and evaluated to identify the target based on the radar signature. The results show that the SVM gives good performances for the proposed system where the total recognition accuracy rate could achieve up to 96,24%. In the second approach of this 1-D radar data, the performance of several DBN architectures compose of different layers have been evaluated and compared. We realised that the DBN architecture with four hidden layers performs better than those of with two or three hidden layers. The results show also that this architecture achieves up to 97.80% of accuracy. This result also proves that the performance of DBN is better than that of SVM (96.24%) in the case of UWB radar target recognition system using 1-D radar signature. In the 2-D approach, the Convolutional Neural Network (CNN) has been exploited and evaluated. In this work, we have proposed and investigated three CNN architectures. The first architecture is the modified of Alexnet model, the second is an architecture with three convolutional layers and one fully connected layer, and the third is an architecture with five convolutional layers and two fully connected layers. The performance of these proposed architectures have been evaluated and compared. We found that the third architecture has a good performance where it achieves up to 99.59% of accuracy. Finally, we compared the performances obtained using CNN, DBN and SVM. The results show that CNN gives a better result in terms of accuracy compared to that of DBN and SVM. It allows to classify correctly the UWB radar targets like cyclist and pedestrian.