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Transmission Asynchrone Radio (ISM)


SOMMAIRE
:

1 - Généralités
2 - Transmission série asynchrone sans fil
2 - 1 Techniques
2 - 2 Fréquences : état des lieux
2 - 3 Distance et portée
2 - 4 Architecture
2 - 5 Antennes
3 - Guide de sélection
 

1 - GENERALITES :

Les radiocommunications sont aujourd'hui omniprésentes dans tout notre environnement domestique.
Elles le deviennent également de plus en plus fréquemment dans l’entreprise, tant sur le plan de la communication réseau (WLAN) qu’au niveau des communications asynchrones sur les bus de terrain.

La législation française s’est en effet assouplie (homogénéisation européenne), et les solutions technologiques se sont développées, rendant les coûts plus attractifs.

Les avantages sont en effet multiples :
- Plus de câbles coupés, 
- Installation simplifiée
- Mobilité, flexibilité
- Rentabilité

Les applications sont très variées: 
Industrie : Déport d'informations, télémesure, sécurité, réseau Ethernet radio
BTP : Télécommandes, anticollision de grues, anémomètres
Divers : Panneaux d'affichage, signalisation, pesage, interconnexion de bâtiments …
 

2 - TRANSMISSION SERIE ASYNCHRONE SANS FIL :

2 - 1 Techniques

Modem Bande Etroite

Le besoin de plus en plus grand pour de nouvelles fréquences et la saturation des bandes actuelles oblige l’administration à diminuer les largeurs de canaux pour pouvoir les multiplier.

Ainsi, depuis quelques années, la largeur des canaux est passée de 100 kHz à 50, 25, et actuellement à 12.5 kHz.

On parle actuellement du pas de 8.33 kHz (25 / 3) et la tendance va se poursuivre…

Pour la transmission de données, la largeur de bande nécessaire dépend de la vitesse de transmission souhaitée et du mode et de l’indice de modulation utilisés. Aussi, pour transmettre toujours plus vite avec des largeurs de bande de plus en plus faibles, de nouveaux procédés de modulation sont apparus. FFSK, GMSK, DPSK, QPSK, etc…

Par exemple, une modulation GMSK ne permet pas de dépasser 9600 bauds pour un espacement de canaux de 25 kHz

Double changement de fréquence

Dans un récepteur à simple changement de fréquence, l’oscillateur local (Fol) attaque un mélangeur suivi des amplificateurs à fréquence intermédiaire (Fi). Il est donc possible de recevoir deux fréquences : (Fol+Fi) et (Fol-Fi). Le choix entre ces deux fréquences (fréquence désirée et fréquence " image ") est réalisé par des filtres passe-bande.

Plus la fréquence intermédiaire est basse, plus il est difficile d’effectuer la séparation entre les deux fréquences reçues, mais l’amplification et la démodulation sont plus simples et plus efficaces à bande étroite. Plus la fréquence intermédiaire est haute, plus la séparation des fréquences reçues est efficace, mais l’amplification et la démodulation à bande étroite sont plus complexes. Le double changement de fréquence permet de conserver les avantages des deux cas précédents sans en avoir les inconvénients, et est, de ce fait, très utilisé dans les récepteurs à hautes performances.

Codage

La majorité des modems radio actuels travaille en modulation de fréquence avec des oscillateurs synthétisés. Dans ce type d’oscillateur, la commande de fréquence se fait généralement par une diode varicap sur laquelle est superposée la modulation. Un "Zéro" provoque un décalage de –Fm, un "Un" provoque un décalage de +Fm . Lors d’une série longue de niveaux " Zéros " ou " uns ", la boucle de verrouillage a tendance à rattraper le décalage du à la modulation.

Pour éviter ce phénomène indésirable, une des techniques utilisées (FM0 ou Manchester) consiste à découper ces niveaux en une alternance bien définie de 0 et 1 de façon à ce que la valeur moyenne du signal modulant soit nulle. De cette façon, quelque soit le contenu de la modulation, la fréquence porteuse ne varie pas.

2 - 2 Fréquences : Etat des lieux

Historiquement, la bande de fréquence sur laquelle les transmissions radio étaient autorisées est le 200 MHz. Cette bande reste d’ailleurs actuellement toujours en service, et présente l’avantage de ne pas être trop occupée. 

Puis, la législation européenne a permis de " libérer " la bande 400 MHz, sur laquelle la majorité des applications de toute nature est présente, notamment sur le 433 MHz (Applications domestiques, phonie, jeux radiocommandés et … transmissions de données à caractère industriel).

Il est clair que cette fréquence est très encombrée, et nuit à la bonne qualité de la transmission " Radio " (interférence), sans forcément perturber la transmission des données par voie Radio, les algorithmes de codage embarqués dans les modem et les protocoles permettant de fiabiliser celles-ci, et les applications " domestiques " (télécommandes de portail, jouets radiocommandés …) mettant en jeu en général des puissance d’émission très faible.

Ces deux bandes (200 et 400MHz), pour être utilisable de plein droit et sans licence ni redevance annuelle, doivent être utilisées avec des modem radio agrées ne dépassant pas 10mW de puissance d’émission. La " portée " est donc limitée.

Enfin, il y a quelques années, une bande a été libérée (868 à 870 MHz), réservée aux transmissions de données, et segmentée par application :

tableau868 V2.gif (12771 octets)

SRD : Small Range device : Transmetteur à bande étroite pour applications industrielles

Social Al’s : Transmission d’alarmes à caractère social (transmetteur pour personnes âgées …)

ALARM’S : Tout dispositif d’alarme

On note ainsi qu’il est possible de transmettre des données avec une puissance de 500mW (autorisant donc des distances importantes) dans la bande ISM (Industrial Scientific Medical), donc libre de droit et d’utilisation (sans licence ni redevance annuelle).

2 - 3 Distance et Portée

Les distances maximum qui peuvent être atteintes en transmission radio dépendent de bien des facteurs. On peut citer :

  • la topologie du terrain, les obstacles naturels
  • les capacités d’absorption ou de réflexion des obstacles non-naturels (mur en béton, structure métallique …)
  • le type d’antenne et sa taille, son câble et le soin apporté à sa réalisation
  • la position de l’antenne et son réglage
  • La fréquence utilisée
  • la puissance radio mise en jeu.

C’est pourquoi les portées sont en général donnée antenne " à vue ", et avec un rayon sans obstacle autour de l’antenne égale à 3 fois la longueur d’onde :

L = C/F
L = longueur d’onde
C = vitesse de la lumière
F = Fréquence.

Exemple à 433 MHz : L = 300000 / 433 000 = 0,69 m, soit environ 70cm

L’équipe GMI-Databox est à même de validé toutes les spécificités de votre application, en fonction des conditions réelles d’installation qui peuvent parfois différer de cette théorie (traversée d’un mur en béton, obstacle métallique rendant impossible l’installation des antennes " à vue ", etc …). Contactez-nous.

2-3-1 Puissance de 10mW (libre de droit et d’utilisation) :

Portée de l’ordre de 500 à 600 mètres (Antenne fouet ¼ longueur d’onde à 433 MHz) 

2-3-2 Puissance de 500mW (libre de droit et d’utilisation dans la bande ISM 868MHz)

Portée de 1 à 3 km environ

2-3-3 Puissance de 1 W (soumis à licence) :

Portée de 1 à 5 km

2-3-4 Puissance de 5W (soumis à licence) :

Portée de 1 à plusieurs dizaines de km

2 - 4 Architecture

La souplesse et la facilité d’utilisation des modem Radio autorisent des architectures variées :

  • Entre deux points
  • Multipoints
  • Sous-réseaux (utilisation de différents canaux)
  • Etc …

Les quelques exemples qui suivent en donnent un aperçu :

2 - 5 Antennes et topologie site

2-5-1 Profil du terrain

La propagation des ondes radio en VHF / UHF est similaire à celle de la lumière et s’effectue a vue et en ligne droite. Des transmissions peuvent toutefois êtres réalisées sans être dans ce cas idéal, en utilisant des modes de propagations particuliers : Réflexions, Diffraction, Diffusion, etc…

Mais dans ces cas, les atténuations de propagation deviennent vite très importantes et il convient d’en tenir compte lors d’une étude de faisabilité. Des modèles efficaces permettent de définir les paramètres principaux : puissance d’émission, sensibilité de réception, type d’antenne à utiliser, emplacement des antennes, etc… Quelque soit la distance à parcourir, il est impératif de bien connaître le profil du terrain pour pouvoir définir les caractéristiques du matériel à utiliser.

2-5-2 Antennes

Il existe d’innombrables types d’antennes avec des caractéristiques très différentes et chaque type d’antenne correspond à un besoin bien défini. De plus, leur coût est souvent proportionnel à leurs performances. Les caractéristiques principales sont :

  • Le diagramme de rayonnement : Antennes Omnidirectionnelles, Bidirectionnelles, Directives, etc…
  • Le gain : Les antennes directives ont généralement un gain plus important que les omnidirectionnelles,
  • La bande passante : Les antennes à bande étroite ont généralement un gain plus important que les antennes à large bande,
  • La polarisation : Rectiligne (Horizontale, Verticale, etc…) ou Circulaire (Droite ou Gauche)

Leur choix dépend de nombreux facteurs et reste une affaire de spécialistes.

Les antennes directives, outre leur gain intéressant, permettent d’éviter des perturbations de ou à d’autres utilisateurs du fait de l’étroitesse de leur diagramme de rayonnement, tout en limitant la puissance d’émission nécessaire pour une liaison donnée. La polarisation verticale est intéressante en ville ou dans les bâtiments car elle favorise les réflexions sur les structures environnantes. La polarisation horizontale est préférable pour des liaisons à plus longue distance. Quand à la polarisation circulaire, elle est surtout utilisée pour des liaisons avec des stations en mouvement (véhicules, aéronefs, etc…)

Listes des antennes disponibles :
- 1/4 d'onde hélicoïdale ou fouet (avec plan de sol)
- 1/2 d'onde fouet
- Bazooka (omnidirectionnelle)
- YAGI 3 ou 5 éléments (directive)

2-5-3 Installation

Quelque soit le type d’antenne utilisée, il est important d’en effectuer l’installation avec soin. Le site ou elle sera installée sera choisi pour son dégagement par rapport aux autres stations du même réseau, mais aussi pour son éloignement de toute source de perturbation ou autre réseau environnants.

L’antenne devra être éloignée de toute masse ou structure susceptible de modifier ses caractéristiques et son fonctionnement. La distance moyenne conseillée est d’au moins deux à trois longueurs d’onde. Il est souvent préférable de perdre quelques dB dans un câble un peu plus long, que de négliger l’installation de l’antenne elle même.

 

Les offres Radio GMI Databox :

Les modems industriels 433 et 868 Mhz

Les modems 868 Mhz LoRaWAN

Les modems 868 Mhz Sigfox