Couverture ElectroniqueS n°127

Pour remédier aux interférences sur la bande ISM, une correction d'erreurs robuste est nécessaire, sous peine de voir le débit s'effondrer. L'utilisation d'un DSP et d'un transceiver polyvalent permettra de mettre en &oelig;uvre un modem efficace pour le remplacement de liaisons filaires, par exemple dans le secteur industriel. La technologie radiofréquence a fait de tels progrès qu'en quelques années une quantité phénoménale d'applications de communication sans fil a vu le jour. Selon les bandes de fréquences et en particulier sur les bandes ISM (Industrie, scientifique et médicale) sans licence, l'encombrement se fait sentir, malgré les faibles puissances d'émission crête ou moyennes autorisées en Europe. Ce déploiement des équipements radio sans licence s'est fait de façon complètement anarchique et chaque système participe à la génération d'interférences. Cette pollution, en plus des bruits blanc et impulsionnel, des multitrajets et des évanouissements du canal de transmission hertzien, rend la tâche des récepteurs radio pour le moins délicate. Si les interférences entrent en collision avec les paquets de données à recevoir et que la marge de rapport signal/bruit du récepteur n'est pas suffisante, alors les données sont corrompues. Les techniques de détection d'erreurs classiques (CRC) peuvent dans une certaine mesure détecter cette corruption et faire procéder à la retransmission des paquets erronés, mais au prix d'un retard considérable et d'une réduction conséquente des performances en temps réel des applications, voire de leur impossibilité dans le cas de transmission d'images. La solution réside dans l'utilisation de techniques de correction anticipée d'erreurs ou FEC (Forward error correction) puissantes, capables de détecter et de corriger les erreurs sur une longueur ou un nombre de bits suffisants pour compenser les pertes partielles de paquets et offrir une garantie de service. Dans le monde industriel, les bandes ISM s'avèrent très intéressantes pour la réalisation économique de liaisons sans fil distantes, surtout si les débits requis restent cantonnés à quelques kilobits par seconde. Traditionnellement, les données et les commandes sont transmises entre les contrôleurs de processus (PLC) et des unités de télémétrie distantes grâce à des liaisons filaires point à point ou multipoint. Muni d'une interface standard du type RS-232, RS-422 ou RS-485, un modem RF bidirectionnel peut remplacer avantageusement une liaison série filaire en sachant que le coût d'installation d'un câble dans certaines usines peut atteindre une dizaine d'euros par mètre. La figure 1 montre un exemple de liaison point à point sans fil réalisée avec deux modems radio ISM 868-870 MHz capables de transmettre des données en half-duplex à un rythme effectif d'environ 100 kbits/s. En utilisant un processeur DSP faible coût comme l'ADSP-BF531 pour le contrôle d'un émetteur-récepteur ISM tel que l'ADF7020, il est possible d'appliquer les techniques de correction d'erreurs adéquates (codage convolutionnel avec brassage et entrelacement) pour obtenir un taux d'erreurs de transmission inférieur à 10-6 pour un débit supérieur à 100 kbits/s sur une distance de plusieurs centaines de mètres. Avec ses 400 Mips et ses 800 MMAC/s, l'ADSP-BF531 dispose de suffisamment de puissance et d'entrées-sorties pour contrôler deux ADF7020 afin de réaliser une liaison bidirectionnelle ainsi que crypter les données pour une liaison sécurisée. Une radio nécessairement pilotée par un contrôleur DSP Aujourd'hui, une radio pilotée par un ou plusieurs DSP n'étonnera personne mais peut paraître incompatible avec un modem économique. Cependant, pour remédier aux problèmes du canal de transmission hertzien et atteindre, comme il a été évoqué précédemment, des taux d'erreurs respectables, un traitement numérique du signal et des données intensif est indispensable. En plus de son rôle de contrôleur standard et grâce à sa puissance de calcul et à ses aptitudes au temps réel, le DSP va pouvoir : augmenter la bande passante utile ou le débit effectif du canal ; réduire la latence de communication ; compenser les variations de propagation et maintenir la qualité du lien ; sécuriser la communication. La figure 3 indique les différentes fonctions à réaliser de part et d'autre du canal de transmission dont certaines sont à la charge du processeur DSP. La transmission se fait par paquets sur lesquels sont appliqués les différents traitements avant d'être utilisés pour moduler en fréquence la porteuse. Le codage convolutionnel des données consiste à ajouter des bits redondants puis à convoluer et coder le tout sur une longueur spécifique. Le décodage est effectué à l'aide d'un décodeur de Viterbi qui identifie le flux de bits à recevoir selon le principe du maximum de vraisemblance. Avec une longueur de contrainte de 7, le décodeur peut corriger jusqu'à 6 bits erronés consécutifs. L'emploi de la diversité temporelle, c'est-à-dire l'étalement des bits ou des symboles dans le temps, améliore les performances des systèmes de communication codés en présence d'évanouissement et de bruit impulsionnel. Ainsi, la probabilité pour qu'un nombre de bits consécutifs soit corrompu est réduite. Les fonctions de brassage et d'entrelacement simple réalisent cet objectif sans faire appel aux codes correcteurs de Reed-Solomon, plus compliqués. Le schéma simplifié de la figure 4 décrit la configuration d'un modem RF utilisant un émetteur-récepteur ISM ADF7020 travaillant dans la bande 868-870 MHz avec une modulation GFSK. Cette dernière permet à l'ADF7020 de transmettre et de recevoir un flux brut de données à 200 kbits/s avec un BER de 10-3. Avec l'ADF7020, la modulation GFSK est bénéfique sur deux points : par la présence d'un filtre passe-bas gaussien qui réduit la largeur du spectre d'émission, ainsi que par l'existence d'un signal d'horloge RxCLK permettant un transfert synchrone des données vers le port série du processeur DSP. Pour la synchronisation des paquets, l'ADF7020 dispose d'une circuiterie d'identification de préambule ou de mot de synchronisation. Celui-ci peut atteindre une longueur programmable de 24 bits avec une tolérance de 0, 1, 2 ou 3 bits d'erreur. Un mot de synchronisation présentant un minimum de transitions placé en tête de chaque paquet permet au récepteur de se synchroniser facilement sur seulement 5 à 6 bits puis, après identification du préambule, d'activer un signal d'interruption vers le DSP. Cette interruption marque formellement le début du paquet et ensuite autorise le déclenchement du processus de décodage sans décalage intempestif. L'interruption sert alors de marqueur de début de trame pour le décodeur de Viterbi. Cette détection effectuée par le transceiver soulagera le processeur DSP associé à l'ADF7020 dans le processus de réception des paquets de données. Le compagnon de l'ADF7020 est un processeur DSP Risc 32 bits, l'ADSP-BF531. Doté de deux multiplieurs-accumulateurs 16 bits, il est capable de fonctionner à une fréquence d'instruction comprise entre 50 et 400 MHz, variable dynamiquement. Un contrôleur DMA à 11 canaux gère les transferts de données entre les différents périphériques internes et les mémoires internes et/ou externes. Les connexions avec l'ADF7020 sont directes que ce soit pour la transmission/réception des données ou la lecture/écriture des registres de ce dernier, grâce aux entrées/sorties logiques configurables appelées FLAGS (FL0-FL6). L'alimentation à tension variable (0,85 à 1,2 V) spécifique du c&oelig;ur de l'ADSP-BF531 permet aux deux composants de partager la même source qui peut être comprise entre 2,3 et 3,6 V. L'Uart sera connectée à un circuit d'interface genre RS-232 ou RS-485 selon les besoins et le second port série synchrone (SPORT0) à des périphériques série comme des convertisseurs analogique-numérique ou numérique-analogique. A plus de 100 kbits/s, un tel modem peut être utilisé sans interruption avec un petit système d'acquisition déporté, offrant à la fois une précision et une cadence d'échantillonnage significatives, par exemple 16 bits et 6 000 conversions par seconde. Pour le calcul des éléments d'adaptation d'impédance de l'antenne, on se référera à la fiche de caractéristiques de l'ADF7020. De plus, selon l'application et les normes qui s'y attachent, un filtre passe-bas ou passe-bande sera nécessaire entre l'émetteur et l'antenne afin de respecter les gabarits normatifs. Les composants du filtre de boucle PLL, placés en sortie du comparateur de phase, seront déterminés grâce à l'outil de simulation logiciel ADSimPLL, disponible sur le site Internet d'Analog Devices. La partie la plus complexe du code exécutée par le BF531 correspond sans conteste aux blocs de décodage des données et, plus particulièrement, à l'algorithme de Viterbi. Environ une centaine de cycles CPU sont nécessaires pour coder et décoder chaque bit utile. Le code de l'application ainsi que le design de référence correspondant au schéma de la figure 4 sont disponibles auprès de la société Arbos Ingénierie (www.arbos-dsp.com), société tierce partie d'Analog Devices. Le coût matériel des composants listés est inférieur à 15 euros par quantité de 10 000 pièces. Patrick Butler, Analog Devices Diplômé de l'ENIB (école nationale d'ingénieurs de Brest), Patrick Butler est depuis 1992 ingénieur d'application, spécialiste en traitement du signal, chez Analog Devices. Il a exercé auparavant des fonctions d'ingénieur d'étude chez Schlumberger ATE et d'ingénieur d'application chez AMD et Harris Semiconductor. Pour en savoir plus Références bibliographiques : Fiches de caractéristiques ADF7020 préliminaire révision H (Juillet 2004) et ADSP-BF531 révision 0. Telemetry Systems Engineering de Franck Carden, Artech House ISBN 1-58053-257-8.

Un modem à DSP pour des transmissions de données robustes sur bande ISM

Couverture ElectroniqueS n°127

IBM grave les premières puces en 2 nm en abandonnant les FinFET

Zeta, le protocole LPWAN made in China, arrive en Europe

Harting invente le connecteur électronique sur mesure

Un modem à DSP pour des transmissions de données robustes sur bande ISM

Dans la même rubrique

Couverture ElectroniqueS n°127

IBM grave les premières puces en 2 nm en abandonnant les FinFET

Zeta, le protocole LPWAN made in China, arrive en Europe

Harting invente le connecteur électronique sur mesure