Academic literature on the topic 'Technologie Ultra Large Bande (ULB)'

La théorie de l'information développée par Claude Shannon (1916 - 2001) met en évidence le fait que pour accroître la capacité d'un canal de transmission, il est préférable d'élargir la bande de fréquences sur laquelle les informations sont émises plutôt que les puissances d'émissions. Cette constatation est le point de départ de nombreux travaux de recherche sur les communications Ultra-Large Bande (ULB) qui ont abouti en 2002 à la création aux Etats-Unis d'une bande fréquence dîtes ULB où aucun mode de communication n'est privilégié. C'est ainsi que 2 années plus tard ont débuté à l'IM2NP des travaux portant sur les communications ULB impulsionnelles, et notamment la conception d'amplificateur faible bruit, de détecteur d'énergie, mais également de générateurs d'impulsions qui est l'élément clé des émetteurs impulsionnels. Ces derniers constituent la base des travaux présentés dans le manuscrit qui se sont déroulés de 2008 à 2011. La nature discontinue des communications impulsionnelles a tout d'abord impliquée l'introduction de nouvelles figures de mérite permettant de mesurer les performances des générateurs d'impulsions. Ensuite, il est question de méthodes de conception permettant de dimensionner des structures fonctionnant aux fréquences en jeu mais également d'en réduire les consommations statiques principalement de fuite, et ce en vue de répondre aux contraintes de consommation des systèmes embarqués. Enfin sont développées 3 architectures de générateurs d'impulsions, chacune permettant de répondre à des contraintes différentes en termes de bande de fréquences, de consommation et de portée
The information theory developed by Claude Shannon (1916 - 2001) highlights the fact that in order to increase the capacity of a transmission channel, it is preferable to extend the bandwidth used rather than the transmission power. This finding is the starting point of many papers on Ultra-Wideband (UWB) which led to the creation in the United States of UWB band since 2002 where no modulation is privileged. Two years later, many works on Impulsionnal Radio UWB (IR-UWB) communications began at IM2NP including the design of low noise amplifier, power detector, but also pulse generators which is the key element of IR-UWB emitters. These form basis of works presented in the manuscript that took place from 2008 to 2011. The discontinuous nature of communications impulse was first implied the introduction of new figures of merit for measuring performances of pulse generators. Then it deals with design techniques for sizing structures operating at frequencies involved, but also to reduce consumption and especially static leakage to reduce enough power consumption for embedded systems. Finally three architectures of pulse generators are developed, each one responding to different constraints in terms of frequency, consumption and range

Durant ces dernières années, les systèmes de télécommunications sans fil grand public ont intégré des circuits en technologie silicium (BiCMOS, CMOS), grâce à la montée en fréquence des composants actifs de ces technologies (MOSFETS, Bipolaires à Hétérojonctions) qui remplacent peu à peu les circuits des filières III-V. Récemment, les techniques Ultra Large Bande utilisées dans les radars militaires haute puissance ont été étendues à des applications grand public et ont été normalisées aux Etats-Unis pour des bandes de fréquences comprises entre 3 et 10GHz. Dans cette bande de fréquence les architectures d'émetteur et de récepteur sont complexes. La transposition des signaux en gamme millimétrique, plus exactement dans la bande [59-62] GHz, présente de nombreux avantages notamment en terme de simplicité d'architecture système et d'encombrement. Les transistors de la technologie silicium BiCMOS SiGe 0,13 µm atteignent des fréquences de coupure et des fréquences maximales d'oscillation de l'ordre de 160 GHz. Nous avons ainsi conçu puis caractérisé les différents éléments millimétriques de la chaîne d'émission et de réception tels que oscillateur, commutateur, générateur d'impulsions, amplificateur moyenne puissance et faible bruit, détecteur. Les performances obtenues sur ces fonctions étant en accord avec les spécifications système que nous nous étions fixées, un circuit émetteur et un circuit récepteur entièrement intégrés en technologies silicium BiCMOS ont été conçus et réalisés. Ces travaux ont permis de démontrer la possibilité d'utiliser ces technologies silicium pour la réalisation de nouveaux systèmes de communication dans le domaine des fréquences millimétriques
Over the past few years, consumer wireless communication systems have been implemented using silicon technology (BiCMOS, CMOS). Thanks to the higher operating frequency range of its active components (MOSFET, Heterojunction Bipolar Transistors), silicon technologies have replaced Ill-V technology in wireless communication circuits. Ultra Wideband technologies, used for high power military radars, were recently extended to consumer applications and normalized over the frequency range from 3 to 10 GHz in the United States of America. Within this range, receiver and transmitter architectures are complex. Transposition of a baseband UWB signal at 60 GHz, more precisely the 59-62 GHz band, offers many advantages, such as a simpler system architecture and a reduced die area. SiGe BiCMOS 0.13 µm silicon transistors exhibit a cut-off frequency and a maximum oscillation frequency of 160 GHz. We have designed and measured all the different millimeter circuits of the transceiver such as the oscillator, switch, pulse generator, medium power amplifier, low noise amplifier and detector. The results obtained on these blocks are in agreement with the system specifications we had established. A fully integrated transmitter and a fully integrated receiver circuits were designed and realized. The results demonstrate the capability of silicon technologies for the implementation of new communication systems in the millimeter wave range

Les systèmes radio impulsionnelle Ultra large bande (IR-ULB), de part la nature de leurs signaux et de leurs architectures, montrent des caractéristiques intéressantes pour concurrencer les technologies existantes (Zigbee, Bluetooth et RFID) pour certaines applications nécessitant un faible coût et une faible consommation de puissance. Dans ce contexte cette thèse évalue les potentialités des systèmes IR-ULB pour la réalisation d’objets communicants miniatures.En utilisant une technologie "System In Package" (SiP), des objets communicants ULB prototype intégrant une ou plusieurs puces CMOS et une antenne ULB directement réalisée sur le boîtier sont présentés dans la thèse. Les transitions entre le circuit imprimé et les puces sont réalisées avec des fils d'interconnexion ("wirebonding"). Les points d'étude de la thèse se focalisent particulièrement sur la mise en boîtier d'une puce ULB et sur la conception sur silicium de la tête radio fréquence d'un système ULB. La réalisation d'une interconnexion faible cout par "wirebonding" entre un circuit intégré ULB et son support est problématique aux fréquences utilisées en ULB (3-10 GHz) en raison des éléments parasites importants limitant sa bande passante. Pour obtenir une transition ne dégradant pas les signaux ULB, plusieurs méthodologies d’interfaçage sont proposées permettant de réaliser sans augmentation notable de cout une transition large bande entre le circuit intégré et le circuit imprimé du boîtier. L'intégration en technologie CMOS standard des éléments principaux constituant la tête radio fréquence d'un système ULB impulsionnel (LNA, détecteur d'impulsions et générateurs d'impulsions) est étudiée. L'intérêt d'un co-design entre le silicium et le circuit imprimé lors de la conception de ces éléments est mis en avant. L'intégration ainsi que la miniaturisation du système final dans une technologie SIP sont également présentées
Due to the nature of their signals and their architectures, Impulse Radio Ultra Wide Band (IR-UWB) systems show interesting features to compete with existing technologies (Zigbee, Bluetooth and RFID UHF) for low cost and low power applications. In this context, this thesis evaluates the potential of UWB systems for the realization of miniature communication devices.The thesis presents UWB communicating devices realized with a System in Package (SiP) technology. Devices incorporate one or several CMOS chips and an antenna directly printed on the board (PCB). Transitions between the PCB and the chips are made with standard wire bonds. The thesis especially focuses on packaging of UWB dice and on the design of UWB front end radio frequency.Due to important parasitic elements limiting its bandwidth, wire bonds transition is problematic for UWB applications (3-10 GHz). This thesis proposes several methodologies to interface integrated circuit and PCB to obtain a broadband transition without increasing cost production. The integration in standard CMOS technology of main components comprising the UWB radio frequency front end (LNA, pulse detector and pulse generator) is studied. The interest of a co-design between silicon and PCB to design these elements is pointed up. Integration and miniaturization of the final system in a SIP technology are also presented

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

Les réseaux de capteurs sans fils enfouis (RCSFE) sont des réseaux comportant des capteurs et leurs antennes enfouis dans la matière, en particulier enfouis dans le sol. Ils présentent un grand intérêt dans de nombreux domaines d’activités, comme le contrôle de l’environnement, l’agriculture de précision, la navigation et la sécurité. Les systèmes existants sont à bandes étroites et fonctionnent à des fréquences inférieures à 1 GHz. Ces systèmes impliquent l’utilisation d’antennes encombrantes, ce qui complique leur déploiement et peut conduire à des coûts élevés. De plus l’utilisation de largeurs de bandes étroites limite les débits de communications possibles et la résolution envisageables dans les applications de localisation. Enfin, les systèmes actuels sont gourmands en énergie, ce qui limite la durée de vie des éléments enfouis.Pour remédier à ces inconvénients pour certaines applications des RCSFE, on propose dans cette thèse d’utiliser la technique ultralarge bande (ULB) en bande normalisée 3,1 – 10,6 GHz dans les RCSFE. Cette technique permet l’utilisation d’antennes compactes, la simplification du déploiement, l’amélioration de la précision de localisation et l’augmentation du débit de communication et de la durée de vie des capteurs.Pour étudier la faisabilité des RCSFE ULB, nous avons conçu et réalisé trois antennes ULB compactes et en analyser l’effet du sol sur les performances de ces antennes ULB enfouies et sur les liens de communication ULB enfoui. En comparaison à un fonctionnement dans l’air, l’enfouissement dans le sol décale la bande passante de l’antenne vers les basses fréquences. Ce décalage augmente avec la teneur en eau du sol. L’atténuation apportée par le canal ULB enfoui augmente avec la fréquence de fonctionnement, la profondeur d’enfouissement et la teneur en eau du sol. Cependant, nous avons montré que des liaisons fiables sont possibles pour des distances de propagation dans le sol inférieures à 30 cm et des teneurs en eau inférieures à 20%
Wireless underground sensor networks (WUSN) consist of sensors which are buried in a medium with their antennas, in particular in soil. They attract a huge interest in different fields, like environment monitoring, precise agriculture, navigation and security. The existing narrowband systems operate at frequencies below 1 GHz. These systems imply the use of cumbersome antennas, which complicates the deployment and increases its cost. Furthermore, the use of narrow bandwidths limits the possible communication data rates and the potential resolution in localization applications. Finally, current systems are very energy consuming, which limits the lifetime of the underground elements.To overcome these drawbacks for certain applications of WUSN, we propose in this thesis the use of ultra wideband technology (UWB), in the normalized band 3.1 - 10.6 GHz, in WUSN. This technique allows the use of compact antennas, simplifying deployment, improving the localization accuracy and increasing communication data rates and the lifetime of the underground sensors.In order to assess the feasibility study of UWB WUSN, we have designed and realized three compact UWB antennas and analyzed the effect of soil on the performances of these underground UWB antennas and on the underground UWB communication links. Compared with operating in free space, burying the antenna shifts the antenna bandwidth towards low frequencies. This shift increases with soil water content. The attenuation introduced by the buried UWB channel, increases with the operating frequency, the burial depth and the soil moisture. However, we have shown that reliable communications are possible for distances of propagation in soil smaller than 30 cm and soil water contents below 20%

Cette thèse étudie les avantages et les potentiels offerts par le style de conception asynchrone (sans horloge) pour implémenter les traitements numériques de réception des signaux radio impulsionnelle à ultra large bande (UWB), dans le contexte applicatif des réseaux de capteurs. D'une part, des oscillateurs numériques asynchrones ont été étudiés pour réaliser l'implémentation de la base de temps nécessaire aux traitements de réception des signaux radio impulsionnelle, et d'autre part, des algorithmes et des architectures asynchrones de réception de ces signaux radio ont été proposés et validés. Ces différents travaux ont permis de démontrer la pertinence de l’approche asynchrone pour l’implémentation de ce type de traitements, notamment sur le critère de faible consommation. Elles ouvrent ainsi la voie au concept de réseau de capteurs entièrement asynchrones
This PhD thesis studies the advantages and opportunities provided by the asynchronous design style to implement the digital part of an UWB Impulse radio receiver, in the context of wireless sensors networks. Ln one hand, asynchronous digital oscillators have been studied to implement the required time base of an impulse radio receiver. On the other hand, asynchronous algorithms and architectures have been proposed and studied. These different studies demonstrate the efficiency and relevance of the asynchronous design approach to implement this kind of processing, especially on the low power criteria. These studies open the way to fully asynchronous wireless sensor networks

Dans cette thèse nous nous sommes principalement concentrés sur les transmissions impulsion radio Ultra Large Bande (UWB-IR) qui a plusieurs avantages grâce à la nature de sa bande très large (entre 3.1GHZ et 10.6GHz) qui permet un débit élevé et une très bonne résolution temporelle. Ainsi, la très courte durée des impulsions émises assure une transmission robuste dans un canal multi-trajets dense. Enfin la faible densité spectrale de puissance du signal permet au système UWB de coexister avec les applications existantes. En raison de toutes ces caractéristiques, la technologie UWB a été considérée comme une technologie prometteuse pour les applications WSN. Cependant, il existe plusieurs défis technologiques pour l'implémentation des systèmes UWB. A savoir, une distorsion différente de la forme d'onde du signal reçu pour chaque trajet, la conception d'antennes très larges bandes de petites dimensions et non coûteuses, la synchronisation d'un signal impulsionnel, l'utilisation de modulation d'onde d'ordre élevé pour améliorer le débit etc. Dans ce travail, Nous allons nous intéresser à l'étude et l'amélioration de la synchronisation temporelle dans les systèmes ULB
The basic concept of Impulse-Radio UWB (IR-UWB) technology is to transmit and receive baseband impulse waveform streams of very low power density and ultra-short duration pulses (typically at nanosecond scale). These properties of UWB give rise to fine time-domain resolution, rich multipath diversity, low power and low cost on-chip implementation facility, high secure and safety, enhanced penetration capability, high user capacity, and potential spectrum compatibility with existing narrowband systems. Due to all these features, UWB technology has been considered as a feasible technology for WSN applications. While UWB has many reasons to make it a useful and exciting technology for wireless sensor networks and many other applications, it also has some challenges which must be overcome for it to become a popular approach, such as interference from other UWB users, accurate modelling of the UWB channel in various environments, wideband RF component (antennas, low noise amplifiers) designs, accurate synchronization, high sampling rate for digital implementations, and so on. In this thesis, we will focus only on one of the most critical issues in ultra wideband systems: Timing Synchronization

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

L'Ultra Large Bande constitue une technologie très prometteuse pour les futures communications sans fil à courte distance : débits très importants et fonctionnalités de localisation. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux antennes ULB et plus particulièrement à leur caractérisation et modélisation. Les propriétés spécifiques des antennes ULB sont soulignées comparativement aux antennes des systèmes à bande étroite. Nous montrons l'intérêt de considérer les antennes ULB comme des systèmes linéaires et invariants et proposons de nouvelles approches pour définir les fonctions de transfert et réponses impulsionnelles associées. Cette caractérisation « système » est alors complétée en lui associant une modélisation paramétrique dans le but de réduire le nombre de données requises mais aussi d'intégrer les modèles d'antennes dans des environnements de simulation variés. Les modélisations proposées s'appuient sur des simulations électromagnétiques et des mesures fréquentielles, et considèrent différents types d'antennes ULB
Ultra-Wideband is a promising technology for future short-range wireless communications with high data rates as well as radar and localisation. In this thesis, we are interested to UWB antennas and especially to their characterization and modelization. The characteristics of the UWB antennas are emphasized compared to antennas of the narrow band systems. We show that a relevant representation is to model the UWB antennas as linear and time invariant systems. We propose new definitions for the transfer functions and associated impulse responses. The “system” characterization is completed adding parametric modelization to reduce the number of required data and also to integrate the models of the antennas in various simulation systems. The proposed modelings are issued to electromagnetic simulations and measurement in the frequency domain. Moreover, several UWB antennas are considered

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