These De Doctorat De L'universite Pierre Et Marie
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THESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE Spécialité Electronique et communications École doctorale Informatique, Télécommunications et Électronique (Paris) Présentée par M. Brunel HAPPI TIETCHE Pour obtenir le grade de DOCTEUR de l’UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE Sujet de la thèse : Proposition d’architectures radio logicielles FPGA pour démoduler simultanément et intégralement les bandes radios commerciales, en vue d’une indexation audio soutenue le devant le jury composé de : (préciser la qualité de chacun des membres). Pr. Asoke K. NANDI Rapporteur Pr. Christophe JEGO Rapporteur Pr. Yves LOUËT Examinateur Pr. Bertrand GRANADO Examinateur Pr. Aziz BENLARBI-DELAÏ Examinateur Pr. Bruce DENBY Directeur de thèse Pr. Olivier ROMAIN Co-directeur de thèse RESUME L’expansion de la radio et le développement de nouveaux standards enrichissent la diversité et la quantité de données contenues sur les ondes de radiodiffusion. Il devient alors judicieux de développer un moteur de recherches qui aurait la capacité de rendre toutes ces données accessibles comme le font les moteurs de recherche sur internet à l’image de Google. Les possibilités offertes par un tel moteur s’il existe sont nombreuses. Ainsi, le projet SurfOnHertz, qui a été lancé en 2010 et s’est terminé en 2013, avait pour but de mettre au point un navigateur qui serait capable d’indexer les flux audios de toutes les stations radios. Cette indexation se traduirait, entre autres, par de la détection de mots clés dans les flux audios, la détection de publicités, la classification de genres musicaux. Le navigateur une fois mis au point deviendrait le premier moteur de recherches de genre à traiter les contenus radiodiffusés. Relever un tel challenge nécessite d’avoir un dispositif pour capter toutes les stations en cours de diffusion dans la zone géographique concernée, les démoduler et transmettre les contenus audios à un moteur d’indexation. Ainsi, les travaux de cette thèse visent à proposer des architectures numériques portées sur une plateforme SDR pour extraire, démoduler, et mettre à disposition le contenu audio de chacune des stations diffusées dans la zone géographique du récepteur. Vu le grand nombre de standards radio existants aujourd’hui, la thèse porte principalement les standards FM et DRM30. Cependant les méthodologies proposées sont extensibles à d’autres standards. C’est à base d’un FPGA que la majeure partie des travaux a été menée. Le choix de ce type de composant est justifié de par les grandes possibilités qu’il offre en termes de parallélisme de traitements, de maitrise de ressources disponibles, et d’embarquabilité. Le développement des algorithmes a été fait dans un souci de minimisation de la quantité de blocs de calculs utilisés. D’ailleurs, bon nombre d’implémentations ont été réalisées sur un Stratix II, technologie aux ressources limitées par rapport aux FPGAs d’aujourd’hui disponibles sur le marché. Cela atteste la viabilité des algorithmes présentés. Les algorithmes proposés opèrent ainsi l’extraction simultanée de tous les canaux radios lorsque les stations ne peuvent occuper que des emplacements uniformément espacés comme la FM en Europe occidentale, et aussi, pour des standards dont la répartition des stations dans le spectre semble plutôt aléatoire comme le DRM30. Une autre partie des discussions porte sur le moyen de les démoduler simultanément. 2 ABSTRACT The expansion of the radio and the development of new standards enrich the diversity and the amount of data carried by the broadcast radio waves. It becomes wise to develop a search engine that has the capacity to make these accessible as do the search engines on the internet like Google. Such an engine can offer many possibilities. In that vein, the SurfOnHertz project, which was launched in 2010 and ended in 2013, aimed to develop a browser that is capable of indexing audio streams of all radio stations. This indexing would result, among others, in the detection of keywords in the audio streams, the detection of commercials, the classification of musical genres. The browser once developed would become the first search engine of its kind to address the broadcast content. Taking up such a challenge requires to have a device to capture all the stations being broadcasted in the geographical area concerned, demodulate them and transmit the audio contents to the indexing engine. Thus, the work of this thesis aim to provide digital architectures carried on a SDR platform for extracting, demodulating, and making available the audio content of each broadcast stations in the geographic area of the receiver. Before the large number of radio standards which exist today, the thesis focuses FM and DRM30 standards. However the proposed methodologies are extensible to other standards. The bulk of the work is FPGA-based. The choice of this type of component is justified by the great opportunities it offers in terms of parallelism of treatments, mastery of available resources, and embeddability. The development of algorithms was done for the sake of minimizing the amount of the used calculations blocks. Moreover, many implementations have been performed on a Stratix II technology which has limited resources compared to those of the FPGAs available today on the market. This attests to the viability of the presented algorithms. The proposed algorithms thus operate simultaneous extraction of all radio channels when the stations can only occupy uniformly spaced locations like FM in Western Europe, and also for standards of which the distribution of stations in the spectrum seems rather random as the DRM30. Another part of the discussion focuses on the means of simultaneously demodulating it. 3 REMERCIEMENTS Je souhaite, pour commencer, remercier Monsieur Asoke K. Nandi et Monsieur Christophe Jego pour avoir accepté de rapporter mes travaux malgré les reports de date de soutenance de ces derniers mois. De même, ma gratitude va vers Monsieur Yves Louët, Monsieur Bertrand Granado ainsi que Monsieur Aziz Benlarbi-Delaï, membres du jury, qui partageront la responsabilité d’évaluer mon travail. Ensuite, je tiens à rendre à Monsieur Bruce Denby, directeur de cette thèse, ce qui lui est dû. Sans lui, il n’y aurait pas cette thèse. Je lui dois en grande partie les conférences et séminaires auxquels j’ai participé. De plus, sa rigueur dans la rédaction d’articles scientifiques m’aura énormément appris durant toutes ces années. Pour continuer, je voudrais remercier Monsieur Olivier Romain qui, avec Monsieur Denby, ont su me procurer tout le matériel dont j’avais besoin. Il m’a aussi encadré de près, a pris à cœur mon avenir professionnel dès le début de ma thèse. Comme il aime à dire : « ne t’inquiète pas, ton avenir professionnel est tout tracé ». Je n’oublie pas tous mes collègues ou anciens collègues des différents laboratoires par lesquels je suis passé μ Ceux de Sigma (ESPCI), ceux de l’équipe SYEL du Lip6 et ceux du laboratoire ETIS. En particulier, mes pensées vont vers Lounis Zerioul, mon actuel collègue de bureau qui m’a apporté un soutien précieux ces dernières semaines, voire ces derniers mois. Je lui dis souvent : « ah Lounis…que ferais-je sans toi ? ». Comment ne pas remercier aussi ma famille et mes amis ? Vous qui partout dans le monde me gardez dans vos cœurs. Puissé-je être pour vous un modèle en foi, en persévérance et en conduite. 4 A ma mère La vie ne t’a pas épargné les dures épreuves…Combien de fois tu as dû penser que c’était la fin ? Courage ! Les épreuves sont passagères. Encore un peu de temps, et voici qu’arrive le pays où il n’y aura plus de pleurs, de douleurs ni d’alarmes. C’est là l’objectif à atteindre. 5 SOMMAIRE RESUME ..................................................................................................................................... 2 ABSTRACT .................................................................................................................................. 3 REMERCIEMENTS ....................................................................................................................... 4 SOMMAIRE ................................................................................................................................ 6 ABRÉVIATIONS ........................................................................................................................... 9 GLOSSAIRE ............................................................................................................................... 13 1 Introduction ....................................................................................................................... 16 2 Contexte, problématiue et état de l’at ............................................................................. 18 2.1 Standards de radio diffusion existants et caractéristiques ................................................................................ 18 2.1.1 Les différents standards de radiodiffusion ............................................................................................................. 18 2.1.2 Caractéristiques des différents standards ............................................................................................................... 20 2.2 La radiologicielle. .............................................................................................................................................................. 24 2.2.1 Définition .............................................................................................................................................................................