RAPPORT D'ACTIVITES 2008

Le Département EPH regroupe des enseignants-chercheurs impliqués dans les activités de support (couches basses) des systèmes de télécommunications et dans le développement d’activités liées aux interactions homme – machine. Le Département EPH comprend

La recherche est supportée par des contrats européens, industriels et nationaux et bénéficie de l’apport de collaborations internationales. En 2008, le Département a accueilli 24 thésards, 30 stagiaires et 4 post doc. 6 Thèses ont été soutenues.

FAITS MARQUANTS 2008

Parution de  “ Global Positioning: Technologies and Performance “de Nel Samama , Ouvrage en anglais de 420 pages, préfacé par M Gérard Lachapelle, éditeur : Wiley-Blackwell (an imprint of John Wiley & Sons Ltd) (29 avril 2008) , collection:Wiley Survival Guides in Engineering and Science ISBN-13: 978-0471793762

Partenariat avec National Instrument : T. P. d’électronique à domicile

Grâce à un partenariat avec National Instruments, les étudiants de TELECOM SudParis peuvent réaliser ou suivre à distance leurs T.P. d’électronique.

A priori, rien de moins facilement virtualisable qu’un T.P d’électronique. Il faut bien être présent dans le laboratoire pour mettre au point les circuits de diodes, de condensateurs, utiliser les générateurs et les oscilloscopes. Quand une salle de T.P. peut accueillir douze personnes maximum, comment former efficacement une promotion de 200 étudiants ? Depuis la rentrée 2008, et grâce à un partenariat avec National Instruments, un des plus grands fabricants d’instruments de mesure au monde, les étudiants ingénieurs disposent de moyens innovants pour apprendre, approfondir, refaire les manipulations et ce même depuis leur chambre ou l’autre bout du monde.

Chaque manipulation, préparée sur la paillasse du laboratoire, est reliée à un serveur, un PC doté d’une interface web. En T.P., les modifications de paramètres et la visualisation des mesures se font en direct. La même manipulation peut-être répétée depuis un poste distant : de sa chambre à la Maisel par exemple, l’étudiant pourra modifier le signal émis par le générateur. Quelques centaines de mètres plus loin, l’opération aura lieu dans la salle de T.P., et la mesure réelle, prise par un oscilloscope, retransmise à l’étudiant. Une caméra, pilotable, permet d’observer la manipulation, le montage et les instruments de mesure au plus près.
Ce système ouvre la voie aux travaux d’approfondissement : il est facile de répéter une manipulation, d’en explorer tous les paramètres. Plusieurs étudiants peuvent se connecter en même temps et un système de « chat », de messagerie instantanée, permettra d’ici peu le travail collaboratif. « Il ne s’agit pas de perdre le contact avec la pratique », précise Alain Lebegue, le responsable du cours, « mais d’offrir des possibilités supplémentaires ». Les premiers retours sont déjà positifs.

Arrivées de Catherine Lepers et de Mounim El- Yacoubi

Théses

Nabil JARDAK le 16 décembre 2008: « Localisation en zones de non-couverture des systèmes de radionavigation par satellites à base de répéteurs GNSS »

Francisco Hirata Flores le 6 novembre 2008. « Design and Implementation of a CMOS Prototype for a TDSC-UWB Receiver Based on TR Detection Scheme »

Charbel Saber le : Vendredi 24 Octobre 2008 "Ultra Large Bande Radio par Impulsions, Contributions à la Définition du Récepteur TDSC  Relation à la filière technologique

Sheherazade AZOUIGUI le 2 Juillet 2008 "Lasers à boîtes quantiques et tolérance à la rétroaction optique ",

Rachid Hamdi , le Vendredi 11 Juillet  2008, "Filtres en polarisation dédiés aux applications insertion/extraction  optiques reconfigurables » 

Ibrahim Rogerle 7 mai 2008."Stabilisation de gain rapide des amplificateurs optiques:
étude de configurations WDM hybrides EDFA-SOA

Brevets

• Dans le cadre de l'étude CNES ainsi que de la thèse de Nabil Jardak, trois brevets ont été déposés en 2008. Ils portent tous sur de nouvelles architectures de récepteurs, et en particulier des boucles de poursuite. Les deux premiers, déposés en copropriété avec le CNES, portent sur des mécanismes de réduction de l'effet du bruit et des trajets multiples courts. Le troisième, en propriété complète, est relatif à la gestion des trajets multiples longs.

• Brevet déposé et validé avec succès à l’INPI par J.L. Baldinger en mi-Mars 2007 sur l’électronique et les traitements embarqués sur le terminal-patient/base radio du système de télévigilance. Ce brevet est en cours de validation au niveau international.

• Brevet français: déposé le 20 avril 2007 N° FR 07 54621, Extension PCT Avril 2008: N°PCT/FR2008/050710 par E. Krichen, B Dorizzi, S Salicetti, « Procédé de comparaison d’images, notamment pour la reconnaissance par l’iris, mettant en œuvre une mesure de qualité déterminée en appliquant un modèle à apprentissage statistique ».

L’activité de recherche au Département Électronique et Physique est structurée autour de 4 équipes :

• l’équipe Intermédia étudie les modes de communication entre l’homme et la machine, notamment au travers des projets Interaction gestuelle, Vérification biométrique de l’identité et télévigilance (projets Bio-Identité, Interface Perceptives, Télémedom) ;

• l’équipe Navigation s’intéresse aux problèmes de localisation en environnements divers, notamment en intérieur (Projet Localisation en Intérieur)

• l’équipe Communication de proximité s’intéresse aux problèmes de communication en espace libre (Projet Communications de proximité Club)

• l’équipe Optique-optoélectronique s’intéresse principalement aux fonctions dédiées aux architectures de transmission WDM et au traitement tout optique de l’information. (Projet Composant et Fonctions Optiques et nouveau projet : Sycomore)

Ces recherches sont conduites au sein de 6 projets structurants du GET.

1 Bio-Identité

Responsable du projet : Bernadette DORIZZI

La Biométrie, qui consiste à vérifier l'identité d'un individu à partir d'une ou plusieurs de ses caractéristiques personnelles, apparaît de plus en plus comme une alternative ou un complément aux moyens traditionnels de vérification d'identité. Si un certain nombre de solutions commerciales sont déjà proposées, il n'en reste pas moins le besoin de conduire une recherche à moyen terme, soit pour améliorer la qualité des systèmes existants, soit pour explorer de nouvelles modalités. De plus, l’efficacité des techniques biométriques est aujourd’hui très fortement liée à des contraintes fortes imposées à l’utilisateur; une voie de recherche actuelle se tourne donc vers la gestion de situations où l’acquisition des données biométriques est moins contrainte comme sous un portail équippé de capteurs ou en situation de vidéo-surveillance. Finalement, l’usage d'une seule modalité est souvent limité en terme de performance ou de difficultés d'usage, c'est pourquoi il apparaît interessant d'évaluer l'apport de la multimodalité dans ce contexte. L'objectif de ce projet est de mener un travail collaboratif fédérateur pour poursuivre une recherche tournée à la fois vers la technique et les usages. Nous pourrons nous appuyer sur la plateforme d'évaluation du réseau d'Excellence BioSecure et sur la plateforme ValSIS (ASTRE) pour évaluer les performances des algorithmes et des capteurs.

Bilan 2008

L'annee 2008 correspond à la fin de 3 thèses:

- " La Biométrie multimodale : stratégies de fusion de scores et mesures de dépendance appliquées aux bases de personnes virtuelles" (stage David Landais + thèse Lorène Allano: Janvier 2009)

La première partie du travail est basée sur l’étude de méthodes de fusion de scores issus de systèmes biométriques. Pour cela, une comparaison des méthodes de fusion classiquement utilisées sur une grande base de donnée présentant des conditions dégradées qui reflètent les applications réelles de mobilité (par exemple la reconnaissance sur un terminal mobile ou un téléphone) a été réalisée. Puis une stratégie de fusion séquentielle permettant de satisaire au compromis performance/coût est proposée. Dans une troisième partie, nous présenterons des mesures de dépendances statistiques et particulièrement une mesure de dépendance basée sur l’entropie : l’information mutuelle. nous ferons le lien entre ces mesures de dépendances locales sur les scores des systèmes et les performances sur des bses virtuelles.

- Reconnaissance de visage via imagerie proche infra-Rouge (thèse Walid Hizem: Janvier 2009)

La variation d’illumination est l’un des facteurs les plus influants sur les performances d’un système de reconnaissance de visage spécialement dans un contexte de mobilité où l’opérateur n’a pas le contrôle de l’éclairage. Nous présentons dans ce travail, un nouveau capteur atténuant l’illumination ambiante ; l’image en sortie est alors plus stable vis-à-vis des variations de l’éclairage ambiant. Une seconde caractéristique de ce capteur, est la délivrance en simultané d’une image en proche infrarouge et d’une image normale acquise avec la lumière ambiante. En vue d’une future implémentation de notre approche, nous avons construit une méthode de détection de points caractéristiques sur les images proche infrarouge. Cet algorithme repose sur des opérateurs simples qui ont vocation à être intégrés dans notre système électronique. En utilisant les points caractéristiques détectés et l’image de contours, nous avons construit un algorithme de reconnaissance du visage s’inspirant de l’ «Elastic Graph Matching » pour construire un modèle du visage. Les performances de notre système sont aussi comparées aux algorithmes de reconnaissance de visage classiques et nous pouvons montrer que nous obtenons de meilleures performances de reconnaissance que l’Elastic Graph Matching classique sur une base de donnée composée d’images visibles et proche infra-rouges acquises simultanément avec des conditions d’illumination variables. De plus le test de plusieurs méthodes de reconnaissance de visage (ACP, Gabor+LDA, EGM) confirme que dans tous les cas les performances en proche infra rouge sont nettement meilleures qu’en lumière visible.

- Reconnaissance de visage 2D en conditions d'illumination variable (thèse d'Anouar Mellakh: Mars 2009)

Afin de bien cerner le problème de dégradation des performances dans les conditions d'acquisition difficiles et de proposer par la suite des solutions adaptées, nous avons effectué plusieurs études à différents niveaux de la chaîne de la reconnaissance. Ces études concernent le comportement des algorithmes basés sur les approches globales. Elles concernent également les différentes méthodes de normalisation photométrique ainsi que des stratégies de reconnaissance basées sur la qualité des images du visage.

.Pour les algorithmes de reconnaissance, nous avons proposé l'utilisation de la fusion de la phase et de l'amplitude des représentations de Gabor de l'image du visage comme nouveau gabarit, à la place de l'image des pixels. Nous avons aussi proposé une nouvelle approche de normalisation basée sur la correction de la composante luminance. Enfin, nous avons présenté une stratégie de reconnaissance se basant sur la mesure de qualité du visage. Cette mesure est une fusion de plusieurs critères de qualité et selon nos expériences, cette stratégie permet une amélioration notable des performances par rapport aux méthodes classiques.

Les différentes études, la validation de nos mesures de qualité ainsi que la validation de la stratégie de reconnaissance ont été effectuées sur les deux bases de données publiques de visage FRGCv2 et BANCA largement utilisées par la communauté.

A côté il faut noter

- Détermination de la qualité de signatures manuscrites via une mesure d'entropie (thèse de Nesma Houmani)

Une nouvelle mesure d’entropie personnelle pour les signatures en-ligne, basée sur une estimation de densité locale par un Modèle de Markov Caché est proposée. Cette mesure permet de catégorier les signatures en différents groupes reliés à la complexité de la signature et ceci a pu être vérifié sur des bases de données différentes. Un lien avec les performances de différents classifieurs usuels a aussi pu être fait.

- Création de l’Association BIOSECURE : Au terme du Réseau d’Excellence Européen BioSecure du 6ème PCRD terminé en Octobre 2007, les principaux résultats issus de ce Projet (bases de données, logiciels et rapports de dissémination liés au domaine de la biométrie) seront maintenus et diffusés via l’Association loi 1901 BIOSECURE (http://www.biosecure.info).

Parution d’un livre: Dijana Petrovska-Delacrétaz, Gérard Chollet and Bernadette Dorizzi. Guide to Biometric Reference Systems and Performance Evaluation. Springer, 2009.

Recherche en visages 2D et 3D pour de la vidéosurveillance

La recherche en reconnaissance des visages avec des caméras « conventionnelles » et orienté pour des applications de vidéosurveillance est mené dans le cadre des projets ANR KIVAOU et VideoID (avec les travaux de thèse de M. Mellakh-Anouar et Dianle Zhou, et un ingénieur de recherche A. Mayoue). Dans le cadre du projet ANR KIVAOU, notre travail est orienté vers un choix de stratégie d’utilisation des séquences vidéo. Dans le cadre du projet ANR VIDEO-ID, notre recherche est orientée vers l’utilisation de modèles génériques 3D dans les scénarios où les images d’enrôlement et de test présentent des poses et des illuminations très différentes. Notre but est de mesurer la potentialité de l’apport de tels systèmes, et de les rendre aussi automatiques que possible.

Dans le cadre du projet ANR KIVAOU, nous avons participé aux dernières évaluations MBGC organisées par NIST, en décembre 2008, et plus précisément à l’expérience ‘Still Face vs HD Video Face’ du Portal Challenge. Nous avons utilisé différents critères de qualité pour pouvoir choisir les images de visage pertinentes, dans une séquence vidéo.

Recherche en cryptobiométrie

La recherche en cryptobiométrie est menée dans le cadre du projet ANR Biotyful (avec le travail de thèse de S. Kanade).

Deux axes de recherche sont poursuivis :

a) amélioration des performances biométriques, tout en amenant la fonctionnalité de révocabilité et de protection des informations biométriques et

b) utilisation des données biométriques pour obtenir des clefs cryptographiques. Une solution incluant une carte à puce, une image de l’iris et un mot de passe pour (re)générer une clé cryptographique, qui utilise le principe des « fuzzy sketches» a été proposée. Pour traiter la variabilité des données biométriques les codes correcteurs d’erreurs sont nécessaires.

Capture à distance et reconnaissance de l’iris dans le projet ANR VIDEO-ID

Le travail réalisé comprend :

- Analyse théorique et expérimentale des problèmes résultant de la capture de l’iris à distance : résolution, netteté, flou de bougé, occlusions, bruit d’acquisition 

- Evaluation des solutions existantes pour la capture de l’iris à distance 

- Spécification d’un scénario applicatif (escalator) et conception d’un dispositif de capture compatible

Vérification par veines de la main (stage Pierre-Olivier Ladoux)

Au cours d’un stage de Master, nous avons exploré les veines de la main comme mode de vérification d’identité de la personne. Nous avons réalisé une étude de l’état de l’art et un premier système de vérification testé sur une petite base enregistrée dans notre laboratoire.

 

 

2 Interfaces perceptives ( IP)

Responsable du projet : Patrick Horain

Ambitions et objectifs du projet

Ce projet développe des interfaces de perception des êtres humains par la machine intégrant le geste, le visage et la voix. Il élabore des technologies grand public pour l'acquisition du geste humain en 3D par vision artificielle monoscopique, la perception des expressions et la reconnaissance du visage, la reconnaissance de mots clefs et de commandes vocales, voire la reconnaissance d'émotions, ainsi que leur restitution virtuelle distante en temps réel.

Ces modalités d'interaction sont mises en œuvre pour la communication entre personnes distantes médiatisée par des avatars dans des mondes virtuels habités, par exemple des environnement collaboratif virtuel de visualisation 3D ou des sites communautaires 3D. Plus largement, elles sont susceptibles d'applications pour des interfaces multimodales, l'intelligence ambiante ou le calcul affectif.

Principales réalisations en 2008

• Projet sur abondement CarnotGpuCV ( http://picoforge.int-evry.fr/projects/gpucv) : Pour certaines applications, la vision en temps réel sur PC grand public requiert une puissance de calcul supérieure à celle disponible sur les processeurs centraux existants. Nous développons une utilisation détournée des processeurs graphiques grand public (GPU) pour accélérer les algorithmes de traitement d'image et de vision par ordinateur. Le recrutement pour 12 mois sur 2007 et 2008 de Yannick ALLUSSE, ingénieur de recherche, a permis de redynamiser un travail commencé en 2005.
  Ce projet a abouti au développement de GpuCV, une bibliothèque logicielle libre et multi-plateforme pour accélérer par GPU les opérateurs de traitement d'image et de vision artificielle. GpuCV a été conçue pour être compatible avec la bibliothèque OpenCV créée par Intel et permettre d'intégrer facilement des opérateurs accélérés sur GPU dans des applications développées sur CPU. L'environnement GpuCV gère de façon transparente les caractéristiques du matériel, la synchronization des données, l'activation à bas niveau des procédures GLSL ou CUDA, l'étalonnage et l'aiguillage vers la mise en oeuvre la plus performante et finalement offre un ensemble d'opérateurs de traiement accélérés par GPU.

Des publications scientifiques ont été présentées aux conférences ACM Multimedia 2008 Open Source Software Competition en octobre 2008 à Vancouver (Canada) et au 4 th International Symposium on Visual Computing (ISVC08) en décembre 2008 à Las Vegas (Nevada, EUA). Le projet a été décrit en juillet 2008 dans la publication ACM SIGMM eNewsletter, puis démonstré par NVIDIA sur son stand à la conférence SuperComputing 08 (SC08) à Austin (Texas, EUA) en novembre 2008. Il a en outre été présenté le 4 décembre 2008 à la 2e Journée Thème Emergent GPGPU du GDR ASR consacrée au calcul généraliste sur unités graphiques et le 6 décembre 2008 au GPUCamp à Paris. Référencé par GPGPU.org depuis 2007, le site web du projet GpuCV est également listé depuis mai 2008 par le site OpenVidia et depuis octobre 2008 sur le siteNVIDIA CUDA zone. Notre site web hébergé sur la plateforme Picoforge de TELECOM & Management SudParis reçoit plusieurs centaines de connections provenant de tous les continents, en particulier de France et des Etats-Unis d'Amérique.

• Projet RNTL SCOS ( http://oscos.org) : Ce projet soutenu par l'ANR s'est déroulé de décembre 2006 à décembre 2008. Dans un environnement collaboratif de visualisation scientifique 3D, notre contribution a porté sur la restitution des interactions entre utilisateurs distants représentés par des avatars simplifiés pour renforcer la perception mutuelle de ces actions.

 

• Projet RNTL MyBlog3D ( http://MyBlog3D.com) : Ce projet soutenu par l'ANR a démarré officiellement le 1 er mars 2007 pour 3 ans. Il vise à renforcer la perception mutuelle des internautes communiquant et partageant des objets dans un espace 3D virtuel. Nous dévelopons des interfaces de perception par une webcam et de restitution virtuelle 3D en temps réel des utilisateurs, avec leurs gestes et expressions du visage. L'évaluation en mars 2008 a souligné le côté très innovant des recherches entreprises et des résultats démontrés. Il a abouti à plusieurs publications internationales dont un chapitre de livre publié par Springer.

Ce projet a bénéficié du recrutement de Zhenbo LI, Docteur de l'Académie des Science de Pékin jusqu'en aouût 2008. Il se poursuit avec la thèse de  David Antonio GOMEZ JAUREGUI commencée en août 2007 sur une bourse du gouvernement mexicain de 36 mois, sur l'acquisition des gestes par vision artificielle et le démarrage au 1 er octobre 2008 de la thèse de Manoj Kumar RAJAGOPAL sur une bourse de 36 mois "Futurs et ruptures" de l'Institut TELECOM, sur l'acquisition et la synthèse hybrides de gestes en codirection avec la Professeure Catherine Pelachaud du LTCI à TELECOM ParisTech.

• Projet européen CompanionAble (http://www.companionable.net) : Ce projet FP7, démarré en janvier 2008 et piloté pour l'Institut TELECOM par Jérôme Boudy, développera un robot de compagnie et un environnement domotique intelligents destinés à stimuler et à veiller sur des personnes atteintes de troubles cognitifs légers. Dans un rapprochement du projet structurant Interfaces perceptives avec le projet Télévigilence, et en complément de capteurs d’environnement et sur le corps, Patrick Horain contribue à une modalité peu intrusive de perception des personnes par vision artificielle. Un doctorant est en cours de recrutement pour 2009.

• Enfin, Patrick Horain a effectué un séjour d'étude de 5 mois (août à décembre 2008) à l'INRIA Rocquencourt dans le projet Mirages dirigé par André Gagalowicz. 

 

3 TeleMeDom :

Télémédecine au service du patient à domicile

Responsable du projet : Jérôme Boudy,

Ambitions et objectifs du projet

L’objet de ce projet est la réalisation d’un système de télévigilance (ou télésurveillance médicale) simple et fiable pour des personnes cardiaques ou/et âgées restant à leur domicile. Le système visé est composé d'une part d’un terminal mobile, de taille réduite, fixé au patient, d'autre part d’une base domestique de réception radio intégrée dans l’environnement du patient, l'ensemble pouvant être relié à un réseau de communications domestique. Une connexion de l'ensemble est assurée avec un serveur distant attaché au centre de télévigilance médicale devant réagir aux alarmes provenant du dispositif mobile fixé sur le patient, voire analyser en continu les informations physiologiques et actimétriques (mouvements) du patient. Ce projet traite des aspects avancés de traitement des signaux vitaux (débruitage, compression), de reconnaissance des formes appliquée à la segmentation/classification d'ECG et à la fusion multimodale de signaux actimétriques/vitaux provenant de diverses modalités mobile et fixes de télévigilance (capteurs fixés sur le patient et réseau de capteurs infra-rouge de localisation situé dans la (les) pièce(s)).

Principales réalisations effectives du projet en 2008 :

 

• Evolution et améliorations du terminal portatif RFPAT de télévigilance (ou Holter), équipé de capteurs pour la détection de tendance cardiaque et d’attitude, robuste aux effets ambulatoires : la fluctuation du capteur de fréquence cardiaque (pouls évolutif) a été placée en dessous de la barre des 10% et atteint même 5% grâce à un nouveau “post-traitement” au niveau de la base domestique. Les nouveaux capteurs de détection d’impact de chute ont été intégrés également dans le dispositif portable du patient après divers essais de validation au laboratoire et ils ont permis d’obtenir, sur un ensemble de tests avec des personnes de l’équipe simulant de vraies chutes, des performances au-delà de 90%. Néanmoins restent à mener une réflexion théorique sur la cinématique de la chute (ayant déjà démarré dans le cadre d’un stage avec un étudiant Indien –Avril-Juin 08), ainsi que sur l’aspect fausse-alarme en créant des situations de fausses chutes. De plus les expérimentations en environnement hospitalier réel sont en cours à l’hôpital Broca (AP-HP) dans le cadre du projet Tandem récemment étendu jusqu’à fin 2009.

• Oxymétrie de pouls ambulatoire (SpO2) : axe de recherche plus récent engagé par J.L. Baldinger dans le prolongement de l’axe de recherche précédent sur le Holter-patient mais tout à fait complémentaire. Cet axe a été animé par trois stagiaires du Master2 TRIED successifs depuis 2006. Les résultats ont été encourageants et les travaux de mise au point d’un futur capteur de SP02 ambulatoire se poursuivent actuellement dans l’étude d’un algorithme à basse consommation pour l’acquisition du SPO2 et du Pouls. Cette activité de recherche s’effectue dans le cadre du projet ANR-TecSan QuoVadis.

• Combinaison de différentes modalités de télévigilance : en vue de renforcer la levée de doute en situations d’urgence (chute du patent) ,la combinaison des trois modalités de télévigilance - Holter-patient RFPAT (INT), réseau GARDIEN (Inserm) de capteurs de détection de présence et détecteur de sons anormaux ANASON (ESIGETEL) – se poursuit dans le cadre de la thèse d’Hamid Medjahed (co-encadrement ESIGETEL, INSERM et INT, thèse financée par ESIGETEL), en particulier sur les méthodes de fusion de scores de différents classifieurs de type MLP (réseau de neurones) et/ou GMM (mélanges de Gaussiennes). Toujours dans le cadre de sa thèse, une plate-forme d’enregistrement multi-modal, baptisée EMUTEM, a été conçue et mise en œuvre par H. Medjahed avec la collaboration efficace de l’ESIGETEL et INSERM. Elle permet donc l’enregistrement simultané des trois modalités GARDIEN, RFPAT et AnaSon pour la création de bases de données nécessaires pour la mise au point des algorithmes de reconnaissance des formes et de fusion appliqués à de tels signaux (ayant fait l’objet aussi de 2 stages Master2 TRIED en 2008 –T. Guettari et D. Bouaziz). Elle est actuellement validée après quelques campagnes de tests internes et la première campagne d’enregistrements a pu démarrer dans le dernier trimestre 2008, après une première en Février ayant été arrêtée pour cause de pannes de capteurs de localisation et diverses instabilités de l’outil informatique d’enregistrement qui ont été corrigées.

 

• Développement temps-réel d’applications de traitement numérique du signal d’ECG sur processeurs de signaux (DSP) : Cette activité a pu démarrer grâce à un financement CARNOT (Imad Belfeki, ingénieur de recherche sous contrat) dans le sillage du projet LPR TelCard (terminé fin 2005). Imad Belfeki a mis en place la plate-forme DSP et l’a rendue opérationnelle de manière à pouvoir mettre en œuvre dans un premier temps les divers algorithmes de filtrage (comme la remise à zéro de ligne de base ECG), et dans un deuxième temps l’extraction de paramètres et de reconnaissance des formes déjà spécifiés sous MATLAB. Il est actuellement envisagé d’implémenter de nouveaux types de filtres pour le signal de pouls sur un DSP.

• Segmentation et classification automatique du signal ECG(axe de recherche en coopération avec l’UFES au Brésil, Vitoria) : Cette coopération a pu se poursuivre dans le cadre d’un colloque organisé au Brésil à Vitoria en Mai 2008 (échanges d’expériences dans le domaine de la télémédecine). Nous recevons depuis le mois d’Octobre, pour une durée d’un an à l’INT, Mme Lorena Campos qui effectue son stage de 3 ème année de thèse de doctorat sur son sujet des Réseaux Bayésiens appliqués à la détection de pathologies cardiaques. Ce sujet de recherche déjà amplement développé au Brésil sous la direction de Rodrigo Andreao est le prolongement des travaux de thèse de Rodrigo effectués à l’INT de 2001 à 2004 avec le soutien de la CAPES. Cet axe est très intéressant car il peut être appliqué à terme à des problèmes de fusion en télévigilance dans la suite des premières expériences effectuées avec Vinicius Ruiz Martins en 2007 lors de son stage de Mestrado UFES (R. Andreao co-tuteur).

• Projets de recherche FP-7-IST (Call1) et ANR-TecSan : les deux projets CompanionAble (IST) et Quo-Vadis (ANR-TecSan) on démarré en début d’année 2008, respectivement Janvier et Février 2008.

• Brevet déposé et validé avec succès à l’INPI par J.L. Baldinger en mi-Mars 2007 sur l’électronique et les traitements embarqués sur le terminal-patient/base radio du système de télévigilance. Ce brevet est en cours de validation au niveau international.

Références des réalisations / productions effectives sur 2008 :

• Démonstrations du système de télévigilance RFPAT (cf. 1 ère photo) avec les nouvelles fonctions de tests-matériels à diverses réunions avec le SAMU, en particulier du détecteur de chute intégré dans le holter-patient avec les divers autres signaux vitaux (pouls & actimétrie). Plusieurs terminaux (4) sont disponibles pour des démonstrations en interne et pour validation en cours en contexte hospitalier (Hôpital Broca à Paris).

• Plate-forme opérationnelle de démonstration et d’enregistrement de télévigilance multimodale EMUTEM (cf. 2 ème photo) effective dans le laboratoire de Télévigilance (C302) mettant en œuvre les 3 modalités du système RFPAT (Holter portable patient), du système GARDIEN (INSERM, réseau de capteurs fixes IR de localisation) et du système ANASON (détection de sons anormaux, ESIGETEL).
• Plate-forme DSP temps-réel opérationnelle avec connexion réelle à 9 dérivations ECG

 

Contrats actuellement actifs en Télévigilance :

• TANDEM / RNTS-2005 (en cours, jusqu’en fin 2009, extension acceptée)
• QUO-VADIS / ANR TecSan 2007 (démarré en Février 2008, pour 3 ans)
• CompanionAble / IST FP-7 (démarré en Janvier 2008, pour 4 ans)
• IE4IL / SAFETI 2007 Afrique du Sud (démarré en Mai 2007, pour 3 ans, recette de la 1 ère année
•  

4 Localisation en intérieur

Responsable du projet : Nel Samama

AMBITIONS ET OBJECTIFS DU PROJET

Les systèmes actuels de localisation se heurtent à la difficulté de réaliser la fonction de positionnement dans des environnements divers avec une qualité constante: ceci limite le développement des services géolocalisés. Le positionnement en intérieur en est le cas le plus représentatif. La diversité des solutions proposées et leur maturité montrent que la voie n'est pas encore tracée. De plus, les orientations choisies par les grands industriels du domaine montrent des limitations qui relancent l'intérêt pour une recherche innovante. Cependant, les choix vont s'opérer d'ici quelques années pour coïncider avec les échéances du programme GALILEO.

Le projet I-GNSS vise à permettre la réalisation d'un système universel de localisation, incluant l'intérieur, en démontrant expérimentalement l'implémentation de certaines techniques originales. Parallèlement, les aspects usages et applications sont considérés afin de positionner l'Institut TELECOM comme acteur du domaine.

PRINCIPALES REALISATIONS EN 2008

Action CNES 2006-2008

L’objectif global des travaux de l'étude fut de permettre une meilleure compréhension, et par suite une optimisation, de la détection des sauts de phase du code dans le fonctionnement de la solution de positionnement. Les trois directions suivies sont respectivement l’analyse du comportement des récepteurs, la simulation/modélisation du comportement des boucles de réception et l’analyse des trajets multiples. L’idée était de permettre des échanges entre ces trois domaines afin par exemple d’implémenter physiquement sur un récepteur logiciel (le NordNav R-30) les architectures de boucles obtenus par simulation. De même, il nous semblait important de valider expérimentalement les résultats de simulation de propagation des signaux en intérieur. Cette approche globale est schématiquement représentée par la figure suivante 1 ci de-dessous.

De plus, nous avons développé les aspects systèmes en réalisant une infrastructure transportable permettant un déploiement aisé dans tous les environnements possibles. En particulier, un boitier de commande des répéteurs a été fourni: ce dernier autorise un fonctionnement totalement synchronisé sur le temps GPS et cadencé par les impulsions précises de la constellation, le Pulse Per Second (PPS). Enfin, les aspects de représentation graphique de la position ont également fait l'objet de réflexions et de réalisations.

  

 

 

Figure 1: Philosophie globale des aspects techniques

L'étude se conclue par la disponibilité de l'ensemble des composantes du système, à savoir:

• L'antenne de réception extérieure
• Le boitier de commande global
• Les antennes des répéteurs
• Le récepteur complet avec les nouvelles boucles de poursuite ainsi que les divers modes de calculs implémentés
• Une interface de restitution de la position et de gestion du récepteur sur PC

Théses

Soutenance de Nabil JARDAK en décembre 2008: Localisation en zones de non-couverture des systèmes de radionavigation par satellites à base de répéteurs GNSS

Magda Chelly : Etude de L'Acquisition Et De La Propagation D'Une Position Physique Dans Les Réseaux Telecom Sans Fil.

Alexandre Vervisch-Picois : Etude de Systèmes de Positionnement en Intérieur Utilisant des Mesures de Phase du Code ou de Phase de la Porteuse de Signaux de Navigation par Satellites.

Brevets

Dans le cadre de l'étude CNES ainsi que de la thèse de Nabil Jardak, trois brevets ont été déposés en 2008. Ils portent tous sur de nouvelles architectures de récepteurs, et en particulier des boucles de poursuite. Les deux premiers, déposés en copropriété avec le CNES, portent sur des mécanismes de réduction de l'effet du bruit et des trajets multiples courts. Le troisième, en propriété complète, est relatif à la gestion des trajets multiples longs.

NOUVELLE THEMATIQUE: POSITIONNEMENT ET TELECOMMUNICATIONS

Contexte

Les diverses limites des systèmes de positionnement par satellites GNSS (Global Navigation Satellite Systems) sont connues et font l'objet de nombreux travaux dans les communautés "traitement du signal" et "positionnement": il ne semble cependant pas que toutes les réponses soient définitives. C'est le cas en particulier de la disponibilité, de la précision, de la fiabilité ou encore du fonctionnement dans certains environnements contraints (intérieur en particulier, mais canyons urbains également). Ainsi, de nombreuses autres techniques sont analysées dans le but de trouver de nouvelles orientations, comme par exemple l'utilisation de systèmes de télécommunications (WPAN, WLAN ou réseaux mobiles). Ceci représente un premier couplage possible entre positionnement et télécommunication, mais nous allons voir que bien d'autres, encore plus orientés vers les domaines d'expertise du GET, sont également envisageables.

Voici une première liste de quelques grands domaines dans lesquels le rapprochement positionnement / télécommunication pourrait produire de l'innovation académique de qualité: la gestion des réseaux, fixes ou mobiles, l'optimisation des ressources, le routage, l'adaptabilité au contexte, la reconfigurabilité, les services innovants, les réseaux de capteurs, les réseaux du futur, les usages, l'acceptabilité, les applications, la sécurité, etc.

Une vraie recherche académique et un différentiateur fort pour l'Institut TELECOM

Quelques verrous technologiques

Dans l'environnement très dynamique du positionnement, 'Institut TELECOM travaille depuis plusieurs années sur un des points durs identifiés des constellations de positionnement par satellites : la couverture limitée. Les travaux en cours portent ainsi principalement sur le positionnement en intérieur. Les approches originales proposées nous ont permis d’être un acteur reconnu internationalement dans le domaine (Europe mais également Corée et Amérique du nord, Etats-Unis et Canada). Les solutions concurrentes montrent des limites en termes d’efficacité, de performances ou de déploiement. Ce premier point (couverture limitée) est ainsi un verrou technologique sur lequel nous avons de l'expérience.

Un second point dur dans l'optique du déploiement des services géo localisés repose sur le fait qu'il faut trouver des techniques de gestion de la donnée de positionnement adaptatives au type de positionnement. En effet, alors que ce dernier est de bonne qualité grâce aux GNSS en zone de bonne réception satellite, il est très dégradé en zone urbaine ou en intérieur. D'autres techniques sont alors susceptibles de fournir un positionnement différent. Il est également important d'aborder le cas où les systèmes automatiques de positionnement, quels qu'ils soient, présentent des défaillances. Dans un tel cas, l'auto adaptabilité des services et applications est importante.

Un différentiateur fort pour le GET

Un point très important dans notre présente approche est à souligner à ce stade du document: les principaux sujets traités sont issus de l'histoire de l'évolution de la navigation et du positionnement au cours des dernières décennies: génie civil, topométrie, aéronautique, traitement du signal ou géodésie. Les plus modernes sont orientés vers la « Géomatique », regroupant les aspects positionnement, géodésie, imagerie et cartographie. Les télécommunications ne constituent pas un thème majeur de recherche: nous pensons que beaucoup reste à faire dans le lien entre positionnement et télécommunications et tentons d'animer une réflexion sur ce sujet au sein de l'Institut. Nous pourrions par exemple être à l’origine de la « Télégéotique » …

Il est également utile de rappeler que les grands domaines applicatifs du positionnement restent les transports, le tourisme, les LBS et les télécommunications (avec en particulier l'intégration de GPS dans les téléphones portables). Nous pouvons alors remarquer que dans tous ces domaines applicatifs, les recherches actuelles impliquent fortement le domaine des télécommunications, apportant un appui supplémentaire à notre démarche.

5 CFO (Composants et fonctions Optiques) :

Responsable: yaneck Gottesman

Modélisation, design et optimisation de composants optiques actifs

Lasers à boites quantiques et tolérance à la rétroaction optique : Cette thématique s’inscrit dans une cotutelle de thèse avec le LPN. Il s’agit de développer des sources lasers à boites quantiques (BQs) présentant un faible courant de seuil, une température caractéristique et un gain élevés, ainsi qu’un faible facteur de couplage phase-amplitude afin d’obtenir des lasers performants et tolérants à la rétroaction optique.

Dans le cadre de cette étude, des mesures systématiques ont été réalisées sur des lasers Fabry-Pérot de 600 µm sur différentes structures à bâtonnets quantiques. Des tolérances supérieures à -18 dB (par mesure du seuil d’effondrement) ont été obtenues avec des structures optimisées. Il a été démontré que le seuil d’effondrement de la cohérence augmente linéairement par rapport au courant pour les lasers testés. Le paramètre le plus pertinent dans la tolérance à la rétroaction optique s’est révélé être le gain différentiel de la structure. La tolérance expérimentale obtenue est supérieure de ~10 dB à celle attendue théoriquement pour l’ensemble des structures étudiées. Cette différence pourrait provenir du caractère multimodal des lasers testés. Des mesures similaires ont été faites sur les lasers à boîtes quantiques émettant à 1,3 µm. Un comportement totalement différent de celui des lasers à bâtonnets quantiques a été observé. En parallèle, la technologie de réalisation de fabrication de lasers DFB à couplage par le gain a été optimisée (réduction du retrait du réseau DFB au pied du ruban actif). Cette optimisation a permis d’obtenir des lasers présentant des SMSR (side mode supression ratio) proches de 50dB avec des pénalités sur le courant de seuil faibles (5-10mA).

Etude des cristaux photoniques sur niobate de lithium pour l’émission de lumière : Une théorie semi-classique a été appliquée à la modélisation de nouvelles structures à cristaux photoniques sur un substrat actif de Niobate de Lithium. Une optimisation de la modélisation de ces structures LOM (Laterally Over-Modulated) par les méthodes des ondes planes et FDTD a permis de mettre en évidence l’effet Purcell. Ces premiers résultats permettent d’envisager le développement de dispositifs actifs de taille micrométrique. Une nouvelle structure basée sur une sur-modulation latérale (LOM) du guide, a par ailleurs été proposée pour favoriser un effet de Bragg.

Il ressort des modélisations FDTD que certains designs présentent un diagramme de dispersion ayant des bandes d’énergie relativement plates. Ces structures sont donc pressenties comme de bons candidats pour le contrôle de la durée de vie des photons. Cet effet a été expliqué par l’interaction d’une onde de Bloch bidimensionnel avec les CP et est similaire à l’effet DFB unidimensionnel couramment utilisé pour la réalisation des diodes laser. Des faibles vitesses de groupe peuvent être obtenues lorsque l’onde voit une modulation périodique de l’indice. Dès lors, le temps moyen d’interaction des photons avec le matériau émetteur peut être augmenté par rapport aux structures conventionnelles.

Conception et réalisation de fonctions optiques

Dispositifs optiques accordables en longueur d'onde dédiés aux architectures WDM : L’évolution des réseaux WDM boostée par l'augmentation du nombre d'utilisateurs et la multiplication des formats de données demande plus de souplesse qu'une simple liaison de transmission entre deux points. Les réseaux sont devenus de plus en plus hiérarchisés avec une topologie maillée et il y a lieu de mettre des nœuds de routage à l’intersection des différents secteurs du réseau. Les ROADMs représentent la solution de choix en permettant une connectivité élevée entre les différents secteurs tout en offrant un degré de flexibilité des réseaux au niveau de la couche optique. Parmi les solutions les plus déployées actuellement, les ROADMs en architecture broadcast & select incorporent un sous-système bloqueur de longueur d’onde (WB). La quasi majorité des WB sont implémentés en technologie optique espace libre utilisant un modulateur spatial de lumière et un module de séparation spatiale de longueurs d’onde constitué en général d’un réseau de diffraction. La fonction de filtrage est un élément clé qui caractérise tout sous-système WB.

Afin de simplifier ces dispositifs, une solution technologique que nous explorons concerne l’utilisation de cellules à cristaux liquides comme éléments dynamiques pour la reconfiguration associées à un élément de filtrage par des éléments biréfringents. La fonction de blocage/transmission ainsi que la fonction d’égalisation alors assurées par les cellules à cristaux liquides a été testée expérimentalement. Il ressort que pour réduire la diaphotie et garantir une grande isolation entre les canaux adjacents transmis, chaque bloc du WB doit avoir une fonction de transmission à fort contraste. Cette contrainte peut être levée par un choix judicieux des angles d’orientation des lames biréfringentes. Pour des applications DWDM, où le nombre de canaux à traiter est élevé (~ 100 l) et dont l’espacement est de 0,8 nm (100 GHz) ou 0,4 nm (50 GHz) le nombre de lames biréfringentes nécessaires pour réaliser ce WB est extrêmement élevé. Par contre, si le WB est utilisé comme sous-système d’un ROADM déployé dans un réseau CWDM, alors la bande passante de la fonction de transmission est autour de 12 nm avec un espacement entre canaux de 20 nm et un nombre de canaux à traiter faible ( 16 l). Le nombre de lames biréfringentes nécessaires dans ce cas est considérablement réduit.La transposition de la conception du WB en optique intégrée sur niobate de lithium, par exemple, permettrait d’exploiter pleinement des caractéristiques intéressantes de ce dernier, en particulier le contrôle de sa biréfringence par effet électro-optique. Par ailleurs, les filtres biréfringents offrent une grande flexibilité dans la synthèse des gabarits prédéfinis et ce en permettant une reconfiguration des paramètres caractéristiques de la fonction de filtrage. Ce degré de liberté nous ouvre à l’avenir des horizons pour optimiser nos dispositifs et répondre à des cahiers de charge propres à des segments particuliers des réseaux.

Stabilisation rapide du gain des amplificateurs EDFA : Les études récentes que nous avons menées, ont permis d’établir la validité d’un modèle numérique permettant d’une part de prévoir le comportement dynamique des amplificateurs EDFA au voisinage du régime stationnaire, et d’autre part, d’extraire les paramètres caractéristiques du milieu actif grâce à une étude fine des caractéristiques des oscillations de relaxation d’un laser à fibre.

L’exploitation de ce modèle général nous a permis d’établir l’impossibilité de concevoir un amplificateur à stabilisation de gain rapide de façon tout optique en exploitant uniquement un milieu EDFA. En effet, les oscillations de relaxation qui accompagnent inévitablement tout changement dans les puissances optiques (suite à l’insertion ou l’extraction de canaux WDM injectés dans l’amplificateur (configuration laser en boucle) entrainent des fluctuations du gain de l’EDFA. Pour résoudre ce problème, nous avons proposé et étudié une nouvelle configuration : un amplificateur à fibre dopée Erbium (FDE) en régime laser hybride. L’originalité d’un tel dispositif repose sur l’insertion d’un milieu actif à semi-conducteur au sein de la cavité laser. Ce milieu bénéficie par nature d’un comportement dynamique très rapide. Il permet de filtrer les fluctuations temporelles de la puissance injectée dans le milieu dopé Erbium grâce à une régulation automatique et rapide de la puissance laser générée par la boucle et donc injectée dans la FDE. Des études analytiques, des simulations et des expériences ont montré les modifications importantes (réduction d’un ordre de grandeur du temps de stabilisation) que l’on pouvait attendre d’une telle configuration. L’étude de quelques dispositifs ayant comme base cette structure hybride est prévue dans un futur proche.

Caractérisation des composants: La technique de réflectométrie à faible cohérence (OLCR, Optical Low Coherence Reflectometry) est la technique principalement développée (d’un point de vue signal pour l’extraction des informations pertinentes des composants caractérisés). Nous l’avons employée au cours de ces dernières années non seulement pour optimiser les designs de divers composants mais aussi pour évaluer l’influence des procédés de fabrication sur leurs performances finales ou encore étudier la dégradation de composants actifs (butt-joint, réseaux de Bragg, coupleur MMI, guides courbés, résonateur en anneaux, lasers dégradés etc…).

Même si cette technique non invasive est simple, elle requière néanmoins une compréhension fine des signaux enregistrés. Pour y arriver, nous développons un ensemble de méthodologies d’analyse spécifiques à chaque composant afin de faciliter la compréhension des réflectogrammes. Un sujet d’étude vient de démarrer. Il concerne l’analyse de deux structures résonantes potentiellement importantes pour diverses applications en émergence dont le ralentissement de la lumière et la bio-photoniques : les guides à cristaux photoniques (CP) (incluant éventuellement des cavités couplées) ; les micro-résonateurs intégrés annulaires.

Actions contractuelles :

Projet ANR : L2CP (Thalès, CNRS-LPN, T&M SudParis, IT-ParisTech)

Action concertée incitative : INOPTECH (IT-ParisTech, T&M SudParis, CCLO)

Participation au réseau d’excellence E-Photon et E-Photon One+

Systèmes de communications numériques optiques pour les réseaux du futur (Sycomore)

Responsable du projet : Yann Frignac

CONTEXTE et objectifs du projet

Les systèmes de transmissions optiques permettent de répondre à la demande toujours croissante en débit d’informations. Ils sont à la base des réseaux dorsaux, réseaux métropolitains et réseaux d’accès. Actuellement, le fonctionnement de ces systèmes requiert des améliorations techniques quelque soit le réseau considéré et de nouvelles thématiques de recherche sont régulièrement créées dans ce sens. Les deux thématiques générales et leurs ambitions associées sont les suivantes.

1. l’application des techniques de communications numériques bien connues dans le domaine radiofréquence à celui de l’optique . : les formats de modulation en phase, nécessitant une détection cohérente et un traitement optique, les techniques de multiplexage temporel, en longueur d’onde ou par codes et les systèmes radio sur fibre. Avec les ambitions de réaliser :

- Une analyse fine des effets physiques les plus critiques de la propagation optique des formats de modulation en phase (type QPSK) en vue d’une optimisation de la conception des systèmes WDM Nx40 Gbit/s les supportant. Ces recherches seront conduites principalement par des moyens numériques de modélisation et de simulation des systèmes.

- Une orientation des algorithmes de traitement électronique des dégradations du signal optique après détection cohérente.

Dans le cadre des réseaux d’accès, les recherches porteront sur l’étude de nouveaux codes en vue d’implémenter des réseaux PON OCDMA présentant une bonne efficacité spectrale et de bonnes performances en taux d’erreurs binaires. L’accès mobile vers l’utilisateur sera également abordé par le développement de systèmes radio sur fibre.

2. l’interfaçage entre le domaine des composants, la couche physique des systèmes et la couche réseau prenant en compte l’interaction mutuelle entre les paramètres de la couche physique et ceux de la couche réseau en vue de proposer des techniques nouvelles pour les réseaux transparents. Avec les ambitions d’analyser :

- l’intégration de fonctions optiques et leur validation dans la problématique système.

- la transparence dans les réseaux optiques. D’une part, le paramétrage des systèmes liés aux phénomènes physiques auxquels ils sont contraints et d’autre part la mise en place de protocoles réseaux tenant compte des contraintes posées par ces mêmes systèmes. La recherche de règles analytiques permettant un design simplifié d’un réseau optique transparent complexe apparaît en effet comme cruciale.

Projets :

projet ANR COHDEQ 40, projet System@tic CARRIOCAS, projet ANR SUPERCODE, projet sur crédits incitatifs ARAL

Partenariat

Alcatel-Lucent, Université de Dijon, Université de Limoges

Résultats 2008

• Thématique 1 :
• Analyse des effets physiques de propagation (dispersion et effets non-linéaires) sur les signaux modulés au format QPSK.
• Analyse et optimisation de la gestion de dispersion des systèmes de réseaux dorsaux au format QPSK, 43Gbit/s.
• Génération et analyse des séquences quaternaires pseudo-aléatoires pour une évaluation efficace des performances de transmission de signaux au format de modulation QPSK.
  • Livrable projet ANR COHDEQ 40 (juillet 2008)
  • Livrable projet Pôle System@tic CARRIOCAS (Décembre 2008)
  • Publication à la conférence internationale :
    • Optical Fiber Communications (OFC’09) : P. Ramantanis, H. Badaoui and Y. Frignac, « Quaternary sequences comparison for the modeling of optical DQPSK dispersion managed transmission systems », in Proc. OFC 2009, San Diego, California.
• Génération de codeurs/ décodeurs OCDMA à réseaux de Bragg superstructurés et intégration système dans un système d’accès hybride WDM/DS-OCDMA à 1.25 Gb/s
  • Livrable projet ANR SUPERCODE (juillet 2008)
  • Publication :
    • S. Cordette, B. Kibler, I. Fsaifes, C. Lepers, C. Ware, C. Finot, et G. Millot, Etude expérimentale d’un système hybride WDM/DS-OCDMA pour réseau d’accès optique haut débit, Journées Nationales d’Optique Guidée, JNOG 2008, Lannion, France
• Thématique 2 :
• Etude de nouvelles architectures de réseaux : concept des réseaux privés
• Etude du lien entre les performances des réseaux hybrides WDM PON-OCDMA (taux d’erreurs binaires, type de code OCDMA…) et les paramètres de blocage et le télétraffic.
  • Publication :

M. Gharaei, C. Lepers, I. Fsaifes and P. Gallion, A Novel Reconfigurable Ring Architecture of Multiple Secure Private Networks over EPON Using OCDMA Code-Drop Units, International Conference On Applications of Photonic Technology, Photonic

6 Communication de proximité

Responsable du projet : Muriel Muller

Ambitions et objectifs du projet 

Les analyses ont montré que beaucoup d’applications en communication de proximité exigent un matériel simple, à bas coût et à très faible consommation électrique. La plupart des systèmes de communications actuels sont conçus pour la transmission de données dans un contexte micro-informatique et ne répondent pas tout à fait à ces critères d’exigence.  Par conséquent, les objectifs de recherche visent à réaliser des dispositifs de communications basés sur des structures nouvelles et innovantes dont font partie les systèmes basés sur la technologie UWB, par exemple ou les technologies à base de transmission Infra Rouge.

Petit historique UWB :

Projets Incitatifs 2003-2004

(Plate-forme UWB & UWB-Domo)

Les activités de ce projet ont été soutenues par la direction scientifique sous forme de deux projets de recherche sur crédit incitatif en 2003 (Plate forme UWB ; GET-INT & GET-ENST) et en 2004 (UWB-Domo). Ces deux projets nous ont permis d’étudier les aspects des systèmes UWB à impulsion allant de la génération d’impulsion jusqu’au codage source et canal. 

 A travers ces deux projets et grâce à des réalisations matérielles, nous avons pu collecter des données réelles à la fois sur la réalisation matérielle et sur les traitements de signal associés. La modularité de ces plates-formes nous permettra de tester et valider des nouveaux concepts tout au long des activités au sein du projet communication de proximité.

Nouvelle approche TDSC pour TR-UWB (Telecom et Management SudParis)

Malgré la simplicité matérielle démontrée d’un système UWB à impulsion, une simple détection d’énergie présente plusieurs limitations sérieuses. D’abord le fonctionnement quadratique d’un tel détecteur limite le niveau minimum du signal à détecter. Ensuite le post-filtrage passe-bas nécessaire réduit considérablement l’amplitude du signal à la sortie du détecteur, étale ce même signal sur l’axe des temps conduisant à une résolution temporelle beaucoup plus faible que les impulsions UWB initiales.

Pour remédier à ces deux problèmes qui limitent la porté et la capacité de discrimination d’un récepteur UWB à impulsion, des méthodes plus efficaces sont nécessaires. Une approche idéale devrait présenter les caractéristiques suivantes : haute sensibilité de détection, fort pouvoir de discrimination temporelle favorisant l’élimination des interférences, capacité de multiplexage et grande facilité de synchronisation entre l’émission et la réception.

Ces considérations nous ont conduites à visiter à nouveau le concept TR-UWB où une référence est transmise en même temps que l’information. Le codage TR-UWB et la méthode de détection associée répondent bien aux problématiques évoquées. Mais cette méthode de détection, basée sur une ligne à retard analogique, est difficile à réaliser en électronique moderne intégrée. La difficulté à la programmer en temps réel limite sérieusement son utilité dans un contexte multi-utilisateurs.

 Nous avons proposé une approche très différente basée sur une conversion temps-espace à l’aide d’un échantillonneur analogique. Cet échantillonneur analogique capte un signal UWB sur une période très brève et le stocke sur une matrice de points mémoire analogique. Par cette conversion temps-espace, nous pouvons obtenir la forme d’onde du signal UWB reçu (l’image du signal UWB). En mettant en place deux échantillonneurs de ce type activé en temps différé, nous pouvons construire un détecteur de signal TR-UWB en comparant les deux “images” du signal UWB.

 Cette méthode originale, appelée TDSC pour Time Delayed Sampling and Correlation (brevet NI Yang) , a pu être testée en configuration réelle dans notre laboratoire à l’aide des générateurs d’impulsion et des oscilloscopes numériques à mémoire. Cette validation a été faite pour une bande de fréquence abaissée due aux limitations en performance de nos instruments. Nos expérimentations ont clairement démontré l’efficacité remarquable de cette approche. Des études avec des instruments plus performants sur des fréquences plus élevées sont à prévoir.

Principales réalisations effectives du projet en 2008

L’étude relative à ce projet porte sur deux axes complémentaires, en vue de la réalisation d’un système de transmission de signaux impulsionnels. Une partie concerne l’étude de la réalisation circuit du système, l’autre partie concerne l’étude d’un point de vue plutôt ‘signal’.

.Francisco Hirata, en thèse au département EPH, a réalisé le layout d’un premier prototype du module de réception en technologie CMOS 0,35µm de chez AMS, le schéma du layout est présenté figure 1. Ce circuit est basé sur le principe de transmission TDSC développé au département EPH. Le but de ce premier prototype est d’évaluer les performances du circuit basé sur le principe de détection TDSC, qui doit détecter un signal de largeur au moins égale à 500MHz si l’on veut se placer dans la définition du standard 802.15.4a. Même si la technologie utilisée ici ne nous permettra pas d’atteindre des performances très élevées en termes de fréquences, le prototype devrait nous permettre de valider tout le travail expérimental et théorique effectué lors de ce projet.

. La deuxième partie est réalisée en collaboration avec le département CITI avec l’étudiant en thèse Charbel Saber, et consiste à étudier la partie détection du signal en utilisant les modèles de canal préexistants et définis pour le standard 802.15.3a ou 4a. Ces travaux doivent nous donner deux indications : l’une sur les performances que devrait avoir le circuit optimal pour détecter correctement le signal TDSC, l’autre partie à l’inverse, évalue les performances du système à partir des performances que nous autorise la réalisation circuit.

Grâce à ces différents travaux nous avons pu répondre à un appel à projet dans le cadre d’un projet nommé CARE4 de l’appel FP7.

Fig 1 : Layout du circuit TDSC réalisé dans la technologie 0,35µm AMS

Résultats obtenus en 2008

Une première plate forme de démonstration a été conçue afin d’évaluer les performances du système. Nous avons réalisés les modules manquants comme l’émetteur, la ligne à retard, les antennes larges bandes. Les deux étudiants en thèse qui travaillaient sur ce sujet (EPH & CITI) ont soutenus avec succès leur thèse cette année.

Mr Francisco Hirata Flores a soutenu sa thèse le 6 novembre 2008. Sa thèse s’intitule « Design and Implementation of a CMOS Prototype for a TDSC-UWB Receiver Based on TR Detection Scheme »

Nous avons obtenus courant du mois d’Avril les chips du circuit TDSC réalisé en technologie CMOS 0,35µm AMS par l’intermédiaire du CMP de Grenoble. Ils nous ont livrés des puces montées dans un boitier CQFP 44 broches (Fig 2 a), que nous avons implémentées sur un PCB, afin d’intégrer le microcontroleur qui commande le circuit TDSC. Les premières mesures de fonctionnement et de test ont été réalisées afin de s’assurer du bon fonctionnement du composant.

La bande passante de la ligne de transmission est de l’ordre de 1,1GHz, ce qui est la limite que l’on peut espérer en utilisant cette technologie. Nous avons obtenu une fréquence d’échantillonnage de 7,4 GHz, ce qui est une très bonne performance compte tenu de la technologie utilisée.

La seconde étape a été de réaliser l’émetteur à base de diode SRD qui nous a permis de générer des impulsions de l’ordre de la nanoseconde. Le retard D généré numériquement, entre deux impulsions d’un doublet utilisé pour coder un bit de donnée, a été fixé en tenant compte des performances du microcontroleur que nous utilisons. Le résultat de la détection des deux impulsions retardées de D l’une par rapport à l’autre, obtenue grâce au circuit TDSC, est visible sur la photo ci-dessous (Fig 2 b). Le retard étant parfaitement identique à l’émission et à la réception les deux formes d’ondes d’impulsions sont détectées et tombent exactement au même endroit dans la fenêtre de détection. Cette mesure donne un résultat de corrélation très bon (93%), ce qui permet d’affirmer que nous avons reçu un bit de donnée UWB. La corrélation est faite en dehors du circuit sur ordinateur pour l’instant.

Ces travaux ont validés la nouvelle méthode de détection TDSC proposée pour des signaux ultra large bande (signal d’une durée inférieure à 2ns).

a)  b)

Fig 2 : a) Circuit TDSC monté dans un boitier CQFP 44 broches. b) Premières captures d’un doublet d’implusions (1ns de bande passante à l’émission) obtenues grâce au récepteur TDSC.

Poursuite des travaux sur ce sujet.

Nous devons développer le système complet de transmission de données. Les résultats obtenus sur l’étude plutôt orientée « signal », devrons être implémentés sur notre système pour éprouver la synchronisation celui-ci qui est l’une des phases critique dans tous systèmes de communication mais qui est accrue pour un système de transmission d’impulsions. La réalisation de cette phase est une étape supplémentaire pour valider l’efficacité de ce nouveau concept.

Nous étudierons aussi les potentialités de notre système pour des applications comme la localisation en intérieur par exemple, grâce au prototype réalisé.

Nous devons atteindre de bonnes performances de sensibilité du circuit afin de détecter des signaux de très faible niveau de puissance par rapport au niveau du bruit.

La consommation doit-être éprouvée pour viser des applications telles que les réseaux de capteurs.

Tout ceci implique des études d’architectures de circuit, de design, études théoriques d’optimisation du bruit dans les circuits, traitements électronique temps réel et/ou embarqué aux niveaux hardware (FPGA, etc.) ou software (VHDL, etc.)…..

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Modifié le septembre 21, 2010