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HAL Id: tel-00399462 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00399462 Submitted on 26 Jun 2009 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Contribution à la conception d’un émetteur-récepteur pour microcapteurs autonomes G. Terrasson To cite this version: G. Terrasson. Contribution à la conception d’un émetteur-récepteur pour microcapteurs autonomes. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2008. Français. tel-00399462 N° d’ordre : 3682 L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1 ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES Par Guillaume TERRASSON POUR OBTENIR LE GRADE DE CONTRIBUTION A LA CONCEPTION RECEPTEUR POUR MICROCAPTEURS AUTONOMES Directeur de thèse Co-directeur de thèse Soutenue le : 24 Novembre 2008 Devant la commission d’examen formée de M. PELLET, Claude Professeur Mme, ROLLAND, Nathalie Professeur M. NDAJIGIMANA, Fabien Professeur M. BASROUR, Skandar Professeur M. BRIAND, Renaud Docteur M. DEVAL, Yann Professeur M. O’CONNOR, Ian Professeur THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1 ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’ING Par Guillaume TERRASSON POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR SPÉCIALITÉ : Électronique CONTRIBUTION A LA CONCEPTION D’EMETTEUR RECEPTEUR POUR MICROCAPTEURS AUTONOMES Directeur de thèse : M. Skandar BASROUR – TIMA Grenoble directeur de thèse : M. Renaud BRIAND – LIPSI Bidart 24 Novembre 2008 Devant la commission d’examen formée de : Professeur IMS Université Bordeaux 1 Président Professeur IEMN Université de Lille Rapporteure Professeur UJF Grenoble Rapporteur Professeur TIMA UJF Grenoble Directeur de thèse Docteur LISPI ESTIA Bidart Co Professeur IMS Université Bordeaux 1 Examinateur Professeur Ecole Centrale de Lyon Examinateur L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1 PHYSIQUES ET DE L’INGÉNIEUR D’EMETTEUR- RECEPTEUR POUR MICROCAPTEURS AUTONOMES TIMA Grenoble LIPSI Bidart Président Rapporteure Rapporteur Directeur de thèse Co-directeur de thèse Examinateur Examinateur Contribution à la conception d’émetteur-récepteur pour microcapteurs autonomes Page ii Contribution à la conception d’émetteur-récepteur pour microcapteurs autonomes Page iii Remerciements Je tiens, tout d’abord, à remercier Monsieur Jean-Roch GUIRESSE, directeur de l’ESTIA, pour m’avoir accueilli au sein du laboratoire LIPSI d’ESTIA-Recherche. Mes sincères remerciements vont à Messieurs Skandar BASROUR et Renaud BRIAND, respectivement directeur et co-directeur de ma thèse, pour m’avoir fait l’honneur de diriger ma thèse, pour m’avoir donné la chance de vivre cette expérience, pour m’avoir conseillé et orienté dans mes travaux. Cette expérience enrichissante m’a permis d’acquérir de l’autonomie et des connaissances dans un domaine d’actualité et porteur, pour cela, je les remercie tout particulièrement. Je remercie également tous les membres de mon jury, Madame Nathalie ROLLAND, Messieurs Fabien NDAGIJIMANA, Ian O’CONNOR, Yann DEVAL et Claude PELLET pour avoir accepté de consacrer du temps à l’évaluation de ces travaux de thèse et pour leurs remarques pertinentes quant à la continuité de mes ceux-ci. Mes sincères remerciements vont aussi aux personnes de l’ESTIA (Phoenicia, Sylvie, Maïder, Charlotte, Sébastien, Hélène et bien d’autres) qui m’ont rendu ces trois et quelques années plus agréables surtout dans les moments les plus difficiles. Je remercie aussi tout particulièrement les doctorants du LIPSI pour les bons moments passés ensemble : Olivier PIALOT pour les nombreuses conversations hors contextes, sportives et politiques, Sébastien BOTTECCHIA et Olivier ZEPHIR pour les sorties « vieux » du vendredi midi, les Mexicains et Colombiens pour leur bonne humeur de tous les jours, Olivier ARRIJURIA pour les longs weekends passés à peaufiner nos layouts, Erika SAVOIE alias Mamie Confiture pour sa bonne cuisine et son franc parlé, Jean TRUNZLER, Guillaume POL, Patrick REUTER et bien d’autres (désolé à ceux que j’ai oublié). Un grand MERCI tout spécial à celle que je considèrerai toujours comme ma petite sœur, celle qui a su me supporter, qui a été là pour me redonner le sourire dans les moments les plus difficiles, celle qui fut et sera encore pour quelques temps mon soutien de proximité. Je ne pense pas avoir besoin de la nommer, elle se reconnaitra. Merci aussi à mes amis Poitevins mais aussi à ceux du Pays Basque, notamment un grand merci à la « famille » du hand, Katia, David, Charly et autres « Charrettes », ils seraient trop nombreux à citer. Enfin, mes derniers et plus forts remerciements vont à mes parents qui ont toujours cru en moi, qui m’ont soutenu moralement et financièrement tout au long de mes études. J’ai conscience des efforts qu’ils ont faits pour moi et je ne saurais jamais les remercier assez de cela. Je voudrais aussi remercier toute ma famille car même si je n’ai pas l’occasion de les voir souvent, ils ont aussi participé à la réussite de cette thèse. Contribution à la conception d’émetteur-récepteur pour microcapteurs autonomes Page iv TITRE CONTRIBUTION A LA CONCEPTION D’UN EMETTEUR-RECEPTEUR POUR MICROCAPTEURS AUTONOMES Résumé L’étude des réseaux de microcapteurs sans fil met clairement en évidence la contrainte principale de l’autonomie en énergie. En effet, ces microcomposants autonomes et communicants appelés aussi nœuds du réseau sont dispersés dans des lieux parfois peu ou pas accessibles. L’objectif de notre travail est de proposer une méthode de conception d’un émetteur-récepteur adapté à ce type de réseaux. Partant d’une modélisation au niveau système mettant en relief la part prépondérante du module radiofréquence sur la consommation moyenne d’un nœud, nous avons développé trois nouveaux outils de conception correspondant à différents niveaux de modélisation de la chaine de communication. Leur utilisation conjointe et les résultats de simulations obtenus nous offrent la possibilité de mettre en relation les spécifications et les performances d’un module radiofréquence avec la consommation. L’association de ces outils dans une méthode de conception itérative nous a permis de dimensionner une chaine de communication en fonction d’une contrainte de consommation. Finalement, nous avons conçu, fabriqué et testé, un amplificateur faible bruit (LNA ou Low Noise Amplifier) à 868 MHz qui présente des caractéristiques très intéressantes en termes de consommation. Mots clés : réseaux de microcapteurs, autonomie, approche système, conception et optimisation sous contrainte de consommation. TITLE DESIGN UNDER POWER CONSTRAINT OF A TRANSCEIVER FOR AUTONOMOUS MICROSENSORS Abstract Survey on wireless microsensor networks highlights the main constraint of energy autonomy. In fact, these autonomous and communicating microcomponents named network nodes are scattered into few or not open environment. The goal of our work is to propose a transceiver design method adapted to microsensor networks. After a demonstration of predominant part of RF into the mean power consumption of a microsensor node, we developed three new simulation tools which correspond to different level of transceiver modelling. Their use and obtained simulation results demonstrate the relation between transceiver specifications and performances with power consumption. The association of these tools was used to propose a new design method under power consumption constraint. Finally, we designed, produced and tested a 868 MHz Low Noise Amplifier which presents interesting power consumption characteristics. Keywords: sensor networks, systematic approach, design and optimization under power constraint. Contribution à la conception d’émetteur-récepteur pour microcapteurs autonomes v Table des matières INTRODUCTION GENERALE ........................................................................................................ 1 CHAPITRE I. MODELISATION DE LA CONSOMMATION D’UN NŒUD AU SEIN D’UN RESEAU DE MICROCAPTEURS ........................................................................................................................ 3 I.1. Introduction ............................................................................................................... 4 I.2. Les réseaux de microcapteurs .................................................................................. 4 I.2.1. Principe ................................................................................................................. 4 I.2.2. Le nœud ................................................................................................................ 5 I.2.3. Description des différents éléments ..................................................................... 8 I.2.4. Catégories d’applications ................................................................................... 12 I.2.5. Spécifications typiques ....................................................................................... 15 I.3. Simulation d’un nœud ............................................................................................. 18 I.3.1. Modélisation ....................................................................................................... 19 I.3.2. Implémentation ................................................................................................... 24 I.3.3. Conclusion .......................................................................................................... 34 I.4. Choix de l’architecture système ............................................................................. 34 I.4.1. Les modulations numériques .............................................................................. 35 I.4.2. Les architectures radiofréquences ...................................................................... 38 I.4.3. Conclusion sur le choix de l’architecture système ............................................. 40 I.5. Conclusion ................................................................................................................ 41 BIBLIOGRAPHIE ....................................................................................................................... 43 CHAPITRE II. DEMARCHE DE CONCEPTION D’UN EMETTEUR-RECEPTEUR SOUS CONTRAINTE DE CONSOMMATION ................................................................................................................. 46 II.1. Introduction ............................................................................................................. 47 II.2. Démarche de conception ......................................................................................... 47 II.2.1. Objectifs ............................................................................................................. 47 II.2.2. Principe ............................................................................................................... 48 II.3. Etude système ........................................................................................................... 50 II.3.1. Spécifications du module communicant ............................................................ 51 II.3.2. Détermination des spécifications du module RF ................................................ 53 II.3.3. Conclusions ........................................................................................................ 63 II.4. Etude du module de communication ..................................................................... 63 II.4.1. Imperfections d’un émetteur-récepteur .............................................................. 63 II.4.2. Performances de l’émetteur-récepteur ............................................................... 72 II.4.3. L’outil PERFS RF .............................................................................................. 75 Contribution à la conception d’émetteur-récepteur pour microcapteurs autonomes vi II.5. Etude blocs ............................................................................................................... 76 II.5.1. Modélisation des blocs ....................................................................................... 77 II.5.2. La contrainte de consommation ......................................................................... 82 II.5.3. Exemple d’utilisation ......................................................................................... 85 II.5.4. Synthèse ............................................................................................................. 91 II.6. Conclusion ................................................................................................................ 91 BIBLIOGRAPHIE ....................................................................................................................... 93 CHAPITRE III. CONCEPTION ET OPTIMISATION DE FONCTIONS ELECTRONIQUES SOUS CONTRAINTE DE CONSOMMATION – APPLICATION AU LNA .................................................. 95 III.1. Introduction ............................................................................................................. 96 III.2. Conception sous contrainte de consommation ...................................................... 96 III.2.1. Objectif ........................................................................................................... 96 III.2.2. Lien entre les performances et la consommation ........................................... 96 III.2.3. Notion d’optimisation ..................................................................................... 97 III.3. Cas du LNA .............................................................................................................. 97 III.3.1. Introduction .................................................................................................... 97 III.3.2. Etat de l’art ..................................................................................................... 98 III.3.3. Comparatif .................................................................................................... 101 III.4. Modélisation ........................................................................................................... 101 III.4.1. Mise en équation de la topologie choisie ...................................................... 102 III.4.2. Validation du modèle « haut-niveau » uploads/Ingenierie_Lourd/ cce-0305.pdf