Conception d'une architecture numérique configurable pour la transformée en paquets d'ondelettes discrètes : application aux transmissions numériques ultra-large bande impulsionnelles - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2019

Design of a configurable digital architecture for discrete wavelet packet transform : application to impulse ultra-wideband digital transmissions

Conception d'une architecture numérique configurable pour la transformée en paquets d'ondelettes discrètes : application aux transmissions numériques ultra-large bande impulsionnelles

Abstract

Impulse radio ultra-wideband communications (IR-UWB) are data transmissions in 3.6 - 10.1 GHz frequency band for application fields of very short-range wireless communications, body area networks (BAN) or high precision location. The advantage of IR-UWB is the possibility of getting a high throughput and the signals have immunity to noise and multipath. Nevertheless, the main drawback is that kind of communication requires complex and energy consuming circuits. In this research works, we propose an architectures based on wavelet packets based on the inverse discrete wavelet packet transform (IDWPT) performing as a pulse generator reducing the complexity of architectures while preserving proper performance. Similarly, the direct transform (DWPT) can be used as decoder of the pulses. We have studied the feasibility of such architectures and develop a sensor network for integration into a BAN. The architecture of the pulse generator and the decoder are based on banks of interpolation and decimation filters. These filter banks have a tree structure which is symmetrical and regular providing a flexibility. The first tests of transmissions through a Gaussian channel under MATLAB - Simulink environment for different wavelets (Haar, Db2, Db4, Coif2 and rbio1.5) show that it is possible to consider such communication based on wavelet packets. Through a Gaussian channel, all the studied wavelets have the same performances. Therefore, it is preferable to choose the smallest architecture, that based on the Haar wavelet. Since the architectures are based exclusively on interpolation and decimation filters suitable for FPGA integration considering transposed filters with a polyphase structure. The detailed implementation of wavelet-based emitters and receivers studied is presented in this manuscript and compared to the previous works. We were able to observe wavelet packets from experiments that were conducted to wide bande frequencies. In this work, the time-shift problem is also considered and resolved by proposing an specific algorithm based on the uniqueness of received packets by the receiver and corresponding to a linear combination of packets coming from transmitters. In addition, a mathematical formalization validates the algorithm and extends the method for all orthogonal and compact wavelets having the same characteristics as Daubechies wavelets.
Les communications ultra-large bande impulsionnelles (IR-UWB) sont des transmissions de données dans la bande de fréquences de 3,6 - 10,1 GHz, qui trouvent leurs applications dans les communications sans fils à très courtes portées, dans les réseaux corporels (BAN) ou la géolocalisation très précise. L'avantage des communications IR-UWB est la possibilité de disposer de débits élevés de communication et une immunité des signaux aux bruits et aux trajets multiples. Cependant, l'inconvénient majeur de ce type de communications est que leur mise en œuvre nécessite des circuits complexes gourmands en consommation d'énergie, limitant ainsi leur utilisation pour les applications embarquées. Une alternative est l'utilisation d'architectures de circuits basées sur les générations de paquets d'ondelettes. Plus précisément, une transformée inverse par paquets d'ondelettes discrètes (IDWPT) peut être considérée comme un générateur d'impulsions permettant de réduire la complexité des architectures existantes tout en préservant des performances convenables. De même, la transformée directe (DWPT) décode les impulsions générées par une IDWPT. Dans ces travaux de thèse, nous étudions et montrons la faisabilité d'une architecture numérique pour la transmissions IR-UWB par l'implémentation sur technologie FPGA des transformées discrètes directe et inverse de paquets d'ondelettes dans un contexte de développement d'un réseau de capteurs en vue d'une intégration dans un BAN. Les architectures du générateur et du décodeur d'impulsions reposent principalement sur des bancs de filtres numériques d'interpolations et de décimations. Ces bancs de filtres reposent sur des structures en arbre, symétriques et régulières assurant une certaine flexibilité en terme de configuration du niveau de résolution et des paquets d'ondelettes. Une modélisation et les premiers tests de transmissions à partir des architectures proposées à travers un canal gaussien sous environnement MATLAB - Simulink et pour différentes générations de types ondelettes (Haar, Db2, Db4, Coif2 et rbio1.5) montrent la faisabilité de communications IR-UWB. A travers un canal gaussien, toutes les ondelettes étudiées montrent globalement les mêmes performances, permettant de limiter la conception numérique d'architectures émetteur et récepteur basée sur l'ondelette de Haar. Les architectures étant uniquement basées sur des filtres d'interpolation et de décimation, nous les avons optimisés pour une intégration sur FPGA. Elles sont donc constituées de filtres transposés à structure polyphasé. L'implémentation détaillée des émetteurs et récepteurs basées sur les ondelettes étudiées sont présentées dans ce manuscrit et comparées aux travaux de la littérature. Actuellement, nous avons pu observer expérimentalement par l'intégration sur la technologie FPGA Xilinx Arty-7 XC7A35T, que les paquets d'ondelettes générées permettent des communications larges bandes. Ces travaux montrent également l'exploitation de l'approche développée dans la réalisation d'un réseau de capteurs, où la difficulté est, du point de vue du récepteur, de différencier les émetteurs. L'architecture en arbre de l'émetteur est désassemblée par branche pour que chacune d'entre elle soit assignée à un émetteur, et ainsi former un réseau en étoile. De ce fait, les émetteurs possèdent seulement une partie de l'émetteur initialement étudié et chaque partie est différente. L'avantage de l'approche proposée par les paquets d'ondelettes est la possible discrimination entre les émetteurs considérant l'orthogonalité des sorties de chacune des branches. Dans ces travaux, le phénomène de décalage temporel très courant dans un réseau de capteurs est également résolu à partir d'un algorithme reposant sur l'unicité d'un paquet reçu par un récepteur, et correspondant (démonstration à l'appui) à une combinaison linéaire des paquets issus des émetteurs.
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Dates and versions

tel-02558339 , version 1 (29-04-2020)

Identifiers

  • HAL Id : tel-02558339 , version 1

Cite

Hüseyin Christophe Kizil. Conception d'une architecture numérique configurable pour la transformée en paquets d'ondelettes discrètes : application aux transmissions numériques ultra-large bande impulsionnelles. Electronique. Université de Lorraine, 2019. Français. ⟨NNT : 2019LORR0265⟩. ⟨tel-02558339⟩
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