Electronique - Les circuits d'émission et de réception RF à courte portée

Les circuits d'émission et de réception RF à courte portée
Dans les diverses bandes ISM jusqu'à 2,4 GHz, le facteur économique justifie le fort niveau d'intégration dont bénéficient les circuits d'émission-réception. Le paroxysme est atteint avec les systèmes sur une puce associant dans un même boîtier : la radio, le microcontrôleur et la mémoire.

Philippe Corvisier , Electronique Mensuel, le 01/04/2006 à 00h00

écrire à l'auteur de l'article		imprimer l'article

envoyer par mail		télécharger le PDF de l'article

	Sommaire du dossier
	Les circuits d'émission et de réception RF à courte portée
	Une très basse consommation est souvent impérative

Dans le cadre d'une transmission de données par voie radio à courte, voire à très courte distance, de nombreux systèmes exploitent avec profit les bandes dites ISM (Industrielle, scientifique, médicale). Encore que ce sigle semble aujourd'hui bien restrictif. En effet, dans le spectre fréquentiel alloué, les applications les plus hétéroclites se côtoient dans les domaines industriel (le contrôle-commande de capteurs ou d'actionneurs, la télérelève de compteurs, la programmation de machines-outils...), de la domotique (les alarmes, la gestion de l'éclairage, du chauffage ou de la climatisation, la fermeture des volets et portails...), de l'automobile (la mesure distante de la pression des pneumatiques, les alarmes, le verrouillage centralisé à distance...), de l'informatique (les manettes de jeux, souris et claviers) et des loisirs (les casques sans fil, les jouets...).

Cet engouement est justifié par les attraits inhérents à une connectivité RF vis-à-vis de sa contrepartie filaire, et ce hors situations où elle se révèle tout simplement indispensable.

Les portées ambitionnées s'échelonneront généralement entre quelques mètres et plusieurs centaines de mètres, voire 1 km. Les débits resteront tout aussi modestes, puisqu'ils excéderont rarement quelques centaines de kbits/s, 1 Mbit tout au plus. Quant à l'usage d'une bande libre de droits, sans acquisition d'une quelconque licence auprès des administrations locales, elle se révèle tout bénéfice pour accélérer la mise sur le marché des produits.

Les bandes de fréquences sans licence dévolues à ce panel d'applications sont diverses, et parfois différemment attribuées selon les régions géographiques. Les plus usitées sont celles des 433 et 868 MHz pour l'Europe, des 315 et 915 MHz pour le continent nord-américain. Quant au 2,4 GHz, dont l'adoption est généralisée, il sert de support à de nombreux standards du sans-fil comme Wi-Fi, Bluetooth ou ZigBee.

Précisons d'emblée qu'il ne sera pas ici question ni de Wi-Fi, dont les débits et la couverture sont d'une autre dimension, ni même de Bluetooth, ce dernier ayant fait l'objet d'un dossier particulier ( Electronique n° 139, p. 88). A contrario, nous évoquerons le cas de ZigBee, ou encore de techniques propriétaires telles que le WirelessUSB de Cypress, dont les contraintes de coût et de consommation sont sensiblement identiques.

Jusqu'à 1 GHz, la norme EN 300 220 fait foi
Une énumération des principales normes régissant les transmissions dans les bandes de fréquences sous le gigahertz est donnée dans le tableau ci-contre. En Europe, c'est la norme Etsi EN 300 220 qui fait foi. Celle-ci s'applique aux SRD (Short-range devices) fonctionnant entre 25 MHz et 1 GHz, et pour lesquels la puissance d'émission n'excède pas 500 mW. Sans entrer dans les détails, nous indiquerons que le standard précise notamment une puissance apparente rayonnée (ERP, effective radiated power), éventuellement un espacement entre canaux, et un rapport cyclique maximal en émission (ratio on/off relativement à une période d'une heure). Cette dernière contrainte se traduit par une occupation sporadique du spectre, ce qui limite la gêne occasionnée pour les autres usagers.

Ajoutons que dans la dernière mouture de la spécification, il a été question de permettre l'usage des techniques d'étalement de spectre en séquence directe (DSSS, Direct sequence spread spectrum) ou par saut de fréquence (FHSS, Frequency hopping spread spectrum) dans plusieurs plages comprises entre 863 et 870 MHz. Outre la réduction des interférences, la volonté sous-jacente est une certaine harmonisation avec ce qui existe déjà aux Etats-Unis. Pour le fabricant, l'intérêt est évident puisqu'il ne sera plus contraint de réécrire complètement la couche MAC du protocole de communication, dès lors qu'il vise les deux marchés. Seuls quelques ajustements seront nécessaires.

Dans le spectre fréquentiel situé sous le gigahertz, pour des liaisons qui seront unidirectionnelles ou bidirectionnelles, l'offre des constructeurs en matière d'émetteurs, de récepteurs ou de transceivers (émetteurs-récepteurs) est abondante. Ce qui n'étonnera personne vu la variété des applications authentifiées.

Dans la mesure où les transceivers englobent les fonctions de leurs deux comparses, nous leur donnerons ici la prédominance. Au demeurant, certaines sociétés s'abstiennent de commercialiser des produits assurant la seule fonction de réception. La raison en est que la partie Rx, lorsqu'elle inclut des fonctions évoluées (recouvrement d'horloge, gestion des paquets...), est une grosse consommatrice de silicium. Lui accoler un bloc Tx ne grève pas le coût de façon significative, tout en évitant la multiplicité des références. Quant au surcroît de consommation, il ne se pose pas en ce sens que l'émetteur peut être désactivé.

Les modulations mises en oeuvre sont également fort diverses en fonction des performances attendues : FSK (Frequency shift keying), ASK (Amplitude shift keying), OOK (On/Off keying, modulation en tout-ou-rien), avec leurs variantes (GFSK, GOOK) dont le préfiltrage gaussien a pour effet de limiter la puissance injectée dans le canal adjacent. Ces différents schémas de modulation sont souvent acceptés par un même circuit qui peut, de surcroît, couvrir l'étendue du spectre fréquentiel indiqué et plus encore. Cette flexibilité leur permet de s'adapter aux différents standards, régulations et protocoles en vigueur.

Le microcontrôleur s'invite chez la radio
La demande est aujourd'hui forte en circuits cumulant une faible consommation, un fonctionnement sous tension basse, et pour lesquels tout réglage en production est proscrit. Hors ces points névralgiques, on leur demande aussi de se contenter d'un nombre de composants annexes minimal. Et ce pour de légitimes raisons de coût et d'encombrement, mais aussi de simplification du routage.

Comme de coutume, la réponse est venue de l'intégration d'un nombre croissant de fonctions RF et bande de base. L'essor des architectures à FI nulle ou basse en réception et à conversion directe en émission a, dans une certaine mesure, facilité cette démarche. Cela s'est traduit en quelques années par l'éradication de nombreux éléments externes. Par exemple, chez Micrel, si l'on compare deux générations de circuits issus de la famille RadioWire, le résultat est édifiant. La varicap d'accord du VCO, le commutateur Rx/Tx traditionnellement réalisé avec deux diodes Pin, et de nombreux composants discrets ont disparu.

Même constat chez Atmel avec sa famille de transceivers multi-canaux ATA542x où le mélangeur à réjection d'image, cumulé au filtrage étroit d'une antenne boucle, a permis de faire l'impasse sur un filtre à ondes de surface.

De fait, seuls subsistent aujourd'hui chez la plupart des fabricants : le circuit d'accord de l'antenne, le filtre de boucle de la PLL (pour une plus grande souplesse), les inévitables condensateurs de découplage, un quartz avec ses condensateurs de charge, parfois l'inductance du VCO. Une autre tendance, en rapport avec les architectures radio de nouvelle génération, concerne l'inclusion de fonctions d'auto-calibrage et d'accord automatique pour compenser les tolérances en production.

Enfin, les circuits ont également gagné en sophistication au niveau de la gestion des trames de données. Et ce dans le but louable de soulager quelque peu la charge de travail du microcontrôleur, qui sera de ce fait un peu moins performant et, par suite moins coûteux. L'intégration dans un même boîtier du micro-contrôleur et du sous-système radio semble une évolution naturelle. Quelques sociétés ont d'ores et déjà franchi le pas.

Ainsi, dans ses rfPIC, Microchip associe un émetteur et un PIC. D'autres, vont encore plus loin afin de constituer de véritables systèmes sur une puce.

A l'instar de Nordic Semiconductor (ex Nordic VLSI) qui a réuni dans le boîtier de 5 mm du nRF9E5 : le transceiver, un microcontrôleur compatible 8051, des régulateurs, un CAN de résolution 10 bits... La présence d'un préprocesseur de traitement du protocole RF signifie moins de travail pour le microcontrôleur, mais aussi moins d'énergie consommée. Ce circuit bénéficie d'une technologie Cmos 0,18 µm, tout comme le CC1110 de Chipcon. Ce dernier embarque également un microcontrôleur de type 8051 amélioré, des périphériques, mais aussi 32 Ko de flash. Enfin, le transceiver XE1283 de Semtech, hérité de feu Xemics, tire pour sa part profit d'un coeur Risc 8 bits (CoolRisc) à faible consommation, et d'un Uart sans fil baptisé BitJockey.

Une bande des 2,4 GHz bien convoitée
Dans la bande décidément bien encombrée des 2,4 GHz, ZigBee est actuellement l'objet de toutes les attentions. Et suscite également des convoitises, si l'on en juge par le rachat, opéré en décembre 2005, du norvégien Chipcon, l'un des protagonistes les plus avancées dans le domaine, par le géant Texas Instruments. Reposant au niveau des couches PHY et MAC sur la norme IEEE 802.15.4, ZigBee adresse notamment les marchés pour lesquels Bluetooth se révèle surdimensionné, onéreux et trop gourmand en énergie.

ZigBee est pensé pour les réseaux radio personnels (WPAN), et les produits de contrôle et de surveillance sans fil en réseau. A cet effet, la norme prend en considération différentes topologies : arbre (Cluster tree), étoile (Star) ou réseau maillé (Mesh). La toile est alors constituée d'un coordinateur, par principe un FFD (Full-function device), chargé de l'établissement et de la définition des principaux paramètres du réseau, et de différents FFD ou RFD (Reduced-function device), selon l'importance attribuée au noeud. Par exemple, associés à un unique FFD, un simple commutateur de lampe ou un capteur infrarouge passif, se contenteront de leur attribut de RFD. Quant aux routeurs, ils font office de relais entre les dispositifs incapables de communiquer entre eux directement. La ZigBee Alliance qui, outre les actuels promoteurs (BM Group, Ember, Freescale, Honeywell, Mitsubishi, Motorola, Philips, Samsung, Siemens, Texas Instruments), regroupe plus de 180 sociétés, se charge de valider les profils.

Au niveau de la couche physique, il est fait usage d'une technique d'étalement de spectre en séquence directe, avec une modulation de type O-QPSK (Offset quadrature phase shift keying) et mise en forme par sinus demi-onde. Les communications s'effectuent à courte portée et à débit modéré (250 kbits/s, pour une vitesse symbole de 62,5 ksymboles/s). Les canaux, espacés de 5 MHz, sont au nombre de 16. Enfin, une déclinaison de ZigBee est envisagée dans les bandes 868/915 MHz avec une modulation BPSK (Binary PSK) et un débit moindre.

ZigBee : l'offre prend forme
L'offre en circuits ZigBee, si elle n'est pas aujourd'hui pléthorique, est concrète. Avec le niveau d'intégration autorisé par une technologie Cmos submicronique, le coût de réalisation d'une liaison ZigBee se révèle déjà attractif.

Ainsi, le CC2430 en Cmos 0,18 µm, introduit par Chipcon en fin d'année dernière, constitue un système sur une puce regroupant toutes les briques matérielles et logicielles requises. Soit : un transceiver 2,4 GHz conforme IEEE 802.15.4, un microcontrôleur 8 bits de type 8051, de la mémoire flash avec la pile de protocoles. Le tout dans un petit boîtier de 7 mm de côté, qui peut trouver sa place dans toutes les configurations de noeuds ZigBee (coordinateurs, routeurs et produits « fin de ligne » ou end devices).

Quant à son successeur, le CC2431 destiné à la mise en réseau de capteurs sans fil, il présente l'originalité d'embarquer un coeur matériel, licencié auprès de Motorola, ajoutant une fonction de localisation rapide et assez précise (de l'ordre de 2 m en milieu fermé).

Avec sa famille MC1321x, dont les éléments se distinguent selon la configuration mémoire, Freescale dispose également d'une solution complète. Cette dernière prend la forme de systèmes en boîtier (SiP, system-in-package) réunissant un transceiver compatible IEEE 802.15.4 et un microcontrôleur d'architecture HCS08.

De son côté, le ML7065 d'Oki Semiconductor inclut la radio 2,4 GHz et assure la gestion des couches PHY et MAC, ainsi que le chiffrement selon l'algorithme AES (Advanced encryption standard). Ce circuit requiert néanmoins un microcontrôleur externe avec lequel il communique par l'intermédiaire d'un port série SPI.

Parmi les autres acteurs qui lorgnent sur le marché, nous citerons Atmel, Ember qui a tout récemment conclu un accord avec STMicroelectronics pour le développement d'une plate-forme ZigBee commune, ou l'américain Integration Associates, par le biais du rachat de son compatriote CompXs.

Dans la même bande sans licence des 2,4 GHz, sont également mises en oeuvre des technologies propriétaires, telles celles de Nordic Semiconductor ou Cypress. Ainsi, le WirelessUSB de ce dernier a été introduit en 2002. Il n'a depuis cessé d'évoluer afin de proposer une connectivité sans fil aux périphériques PC, aux souris, claviers et manettes de jeux, ou autres applications en modes point-à-point ou point-à-multipoint. Affichant initialement un débit de 62,5 kbits/s pour une liaison radio n'excédant pas 10 m, le WirelessUSB a par la suite été décliné en deux variantes LR (Long range) et, plus récemment, LP (Low power). Dans le premier cas, la distance de communication est plus proche de 50 m, dans le second la consommation a été quasiment divisée par deux à puissance d'émission constante. En outre, les deux modes de fonctionnement implantés, GFSK et DSSS, permettent dorénavant d'atteindre des débits de 1 Mbit/s et 250 kbits/s respectivement.