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Mis à jour le 16/05/2019

Découvrez les principales techniques de transmission de données à faible débit

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Transmissions radio "bon marché"

Le chapitre précédent vous a introduit les notions de base des transmissions de données par voie hertzienne (transmissions radio). Au cours de ce chapitre, vous allez découvrir quelques normes de communication bas débit qui pourront être employées pour faire communiquer à distance des systèmes embarqués.

Il existe une multitude d’applications qui demandent la transmission d’une faible quantité de données. Prenons le cas d’une télécommande, par exemple celle d’un drone :

Exemple type d'utilisation d'un liaison radio faible débit
Exemple type d'utilisation d'une liaison radio faible débit.

Dans ce cas simple, nous avons besoin de transmettre les données dans une seule direction : de la télécommande vers le drone ; autrement dit, on veut effectuer une communication de type simplex.

Pour ce faire, des modules radio extrêmement simples existent sur le marché, notamment ceux à 433 MHz, présentés plus bas, que l’on peut acquérir à des prix dérisoires :

Exemples de modules radio bon marché qui fonctionnent à 433 MHz
Exemples de modules radio bon marché qui fonctionnent à 433 MHz

Regardons de plus près les caractéristiques principales de ces modules :

  • l’émetteur a un facteur de forme assez réduit, et les seules connexions électriques à effectuer sont l’alimentation et l’entrée de données à transmettre ;

  • ce module est capable d’émettre une puissance de 10 mW (ce qui correspond à 10 dBm), et la modulation utilisée est ASK, donc chaque valeur binaire est encodée dans une amplitude différente du signal porteur.

Sur la figure suivante, vous pouvez voir l'évolution dans le temps d'un signal ASK  émis par ce module (partie du haut), et le résultat de démodulation (partie du bas) :

Signal ASK émis (en haut) et les données reçues (en bas)
Signal ASK émis (en haut) et les données reçues (en bas).
  • le taux de transfert de données  le plus utilisé est de 4 Kbits par seconde, c’est-à-dire que l’on peut transmettre 4 000 valeurs binaires dans une seconde. La portée de ce module peut être assez grande ( jusqu'à 200 mètres dans de bonnes conditions), à condition que l’on connecte une antenne, qui peut être un simple fil métallique ;

  • la sensibilité de ce récepteur, c’est-à-dire le plus faible signal que le récepteur peut traiter correctement, est de -135 dBm.

Il était question d’une liaison radio de type simplex, c’est-à-dire unidirectionnelle. Mais quel autre type de liaison existe-t-il encore ?

Comme le montre la figure suivante, on retrouve des communications dites « half duplex », où  les deux objets qui veulent communiquer ensemble sont capables d’émettre et de recevoir chacun à son tour. Il existe aussi des communications de type « full duplex ». Dans ce cas, les deux objets émettent et reçoivent simultanément.

Différents types de communication
Différents types de communication.

Pourquoi la transmission de données s’effectue-t-elle précisément à 433 MHz ? 

Parce que les autorités de régulation en télécommunications ont défini des bandes de fréquence qui sont utilisables sans licence. Les fréquences autour de 433 MHz (de 433,05  MHz au 434,79 MHz, plus précisément) font partie des bandes libres, appelées parfois bandes ISM (industriel, scientifique et médical). Pour les bandes ISM, nous définissons une fréquence centrale, une puissance maximale d’émission et un taux d’utilisation précis.  Dans le tableau suivant, vous trouverez les quelques bandes ISM utilisées dans l'Union européenne :

Fréquence min.

Fréquence max.

Exemple d'utilisation

433,05 MHz

434,79 MHz

télécommande portail

863 MHz

870 MHz

équipements domotiques

2.4 GHz

2.5 GHz

bornes Wifi

5,725 GHz

5,875 GHz

communications véhiculaires

Par la suite, nous allons voir comment on peut transmettre des données à un plus haut débit, et surtout rendre la transmission plus robuste, en y ajoutant un protocole de communication.

 Transmissions "Bluetooth Low Energy"

Précédemment, nous avons étudié un moyen simple pour transmettre de manière unidirectionnelle une faible quantité de données. L’inconvénient de ce type de transmission est sa fiabilité. En effet, si un autre émetteur se trouve à proximité de nous et commence à émettre en même temps, à la même fréquence, alors cela risque fortement de compromettre notre transmission.

Pour éviter cela, des normes de communications plus évoluées ont été développées. Prenons le cas de la norme « Bluetooth low energy » qui est couramment déployée sur nos smartphones.

Pilotage d'un drone par un smartphone
Pilotage d'un drone par un smartphone.

Du coup, on pourra utiliser notre propre smartphone pour piloter le drone, et ça, c’est génial ! On pourra  faire en sorte que le drone renvoie vers le smartphone des informations issues des capteurs embarqués.

Les transmissions Bluetooth sont faites dans la bande ISM à 2.4 GHz. Plus précisément, 40 canaux de 2 MHz de largeur ont été définis entre 2 400 MHz et 2 483,5 MHz. Les fréquences centrales de chaque canal respectent la formule suivante :

f0=2402+n2

avec n=0÷39

Parmi ces 40 canaux, il y en a 37 qui sont utilisés pour la transmission de données utiles, et les trois restants sont utilisés pour la transmission de données de service, comme par exemple pour la découverte des dispositifs ou des transmissions de type broadcast.

Répartition en fréquence des canaux Bluetooth
Répartition en fréquence des canaux Bluetooth.

Les puissances d’émission peuvent aller jusqu'à 20 dBm, ce qui assure des portées réelles assez confortables, de l’ordre de la trentaine de mètres.  Plus précisément, dans un environnement "indoor", la puissance émise peut aller au 0 dBm max. En environnement "outdoor" (à l’extérieur), la puissance maximale d’émission peut aller jusqu'à 20 dBm.

 Les transmissions Bluetooth low energy se font avec un débit brut de 1 Mbit par seconde, et la modulation utilisée est la GFSK, qui désigne le fait que les données à transmettre sont filtrées par un dispositif spécial appelé filtre gaussien. Le rôle de ce filtrage est d’adapter le signal transmis au canal de communication. 

Comme le montre la figure suivante, dans la modulation GFSK, une déviation positive de 185 KHz par rapport à la fréquence centrale correspond à un niveau logique « 1 », et une déviation négative de même écart correspond à un niveau logique « 0 ». 

La modulation GFSK
La modulation GFSK.

Les transmissions de données utiles sont de type duplex et de plus, un mécanisme de saut de fréquence adaptatif est mis en place pour limiter l’impact des interférences. En effet, la bande ISM à 2,4 GHz est également utilisée par d’autres communications, notamment le WIFI. Pour éviter les interférences, à chaque transmission, le canal de communication va changer toutes les microsecondes, comme le montre la figure ci-dessous :

Illustrations du principe de saut de fréquence utilisé par la norme Bluetooth.

Les données utiles sont transmises sous la forme de paquets de données, avec un contenu bien défini :

  • chaque trame débute par un octet qui joue le rôle de préambule, et qui est utilisé par le récepteur pour la synchronisation ;

  • les quatre octets suivants qui forment l’adresse d’accès minimisent la probabilité de collision entre les paquets Bluetooth ;

  • ensuite, la « charge utile (PDU) » est transmise sur un nombre d’octets qui peut varier de 2 jusqu'à 39 ;

  • finalement, trois octets de contrôle (CRC) sont rajoutés ; ils contiennent des données redondantes et permettent la détection des erreurs de transmission.

La composition d'une trame de donnés Bluetooth est illustrée sur la figure suivante :

La composition d'une trame de données Bluetooth LE
La composition d'une trame de données Bluetooth LE.

Maintenant que nous avons vu les principales caractéristiques d’une transmission Bluetooth Low Energy, nous allons étudier dans la section suivante la technologie de transmission ultra-large bande.

Transmissions à base de signaux "ultra-large bande"

Dans la section précédente, les caractéristiques principales de la technologie radio Bluetooth Low Energy ont été passées en revue. Bien d’autres techniques de communication sans fil à faible débit et faible consommation énergétique existent encore, telles que la Zigbee, la Z-wave, la EnOcean, pour ne citer que celles-ci.

D'autres exemples de communications radio bas débit
D'autres exemples de communications sans fil bas débit.

Dans certaines applications radio, il est nécessaire de localiser avec précision un objet dans un environnement "indoor", là où les signaux GPS ne peuvent pas être reçus. Il existe des techniques de localisation, comme par exemple celles qui impliquent l’utilisation des signaux ultrason, wifi, ou bien Bluetooth Low Energy, mais la technologie ultra-large bande offre de bien meilleures performances.

 Mais en quoi consiste cette technologie de transmission radio ?

Contrairement aux techniques de transmission dites de bande étroite, les transmissions ultra-large bande reposent sur l’émission des trains d’impulsions de courte durée. Ces impulsions sont caractérisées par une faible densité de puissance et ont un spectre qui couvre une large bande de fréquences, comme on peut le remarquer sur la figure ci-dessous :

Evolution dans le temps et spectre des fréquences des signaux bande étroite (à gauche) et ultra-large bande (à droite)
Évolution dans le temps, et spectre des fréquences des signaux bande étroite (à gauche) et ultra-large bande (à droite).

Ces caractéristiques procurent aux transmissions ultra-large bande une bonne immunité face aux trajets multiples, et une bonne résistance face aux interférences.

La figure suivante illustre un émetteur-récepteur ultra-large bande fourni par la société Decawave. L'antenne a une forme bien particulière (ellipse), pour assurer la bande passante nécessaire :

Exemple de module radio ultra-large bande, facilement reconnaissable d'après l'allure particulière de l'antenne
Exemple de module radio ultra-large bande, facilement reconnaissable d'après l'allure particulière de l'antenne.

En France et dans la plupart des pays européens, les fréquences utilisées par les communications civiles de type ultra-large bande s’étendent entre 3,1 et 9 GHz.

La définition d'un signal ultra-large bande
La définition d'un signal ultra-large bande.

De plus, les niveaux de puissance émises doivent être suffisamment basses pour ne pas perturber d’autres communications bande étroite. Spécifiquement, la densité spectrale de puissance maximale ne doit pas dépasser -41,3 dBm/Hz.

Pour respecter les contraintes du masque de fréquences fixées par les autorités de régulation en télécommunications, des formes d’ondes spécifiques ont été définies. Voici quelques exemples de formes d’ondes utilisées dans les transmissions ultra-large bande :

Exemples d’impulsions ultra-large bande et leurs spectres associés
Exemples d’impulsions ultra-large bande, et leurs spectres associés.

Premièrement, nous avons l’impulsion de Scholtz (en bleu) ; nous avons aussi le pulse gaussien (en rouge), et pour finir, celui obtenu par le filtrage d’une sinusoïde par une fenêtre rectangulaire (en cyan). Le tracé noir dans la figure de droite correspond au masque de fréquences définie par la FCC (Federal Communications Commission).

Pour transmettre l’information, plusieurs types de modulations sont utilisés :

  • une des plus simples est la modulation OOK. Pour ce type de modulation, les deux valeurs binaires sont codées par la présence ou l’absence de l’impulsion :

Modulation OOK avec des signaux ultra-large bande
Modulation OOK avec des signaux ultra-large bande.
  • si on donne deux valeurs bien distinctes d’amplitude, alors on parle de la modulation PAM (pulse amplitude modulation) :

Modulation des pulses en amplitude
Modulation des pulses en amplitude.
  • dans la modulation BPSK (binary phase shift keying), les deux valeurs binaires se distinguent par un déphasage de 180 dégrés de l’impulsion :

Modulation BPSK avec des signaux ultra-large bande
Modulation BPSK avec des signaux ultra-large bande.
  • dans le cas de la modulation PPM, la position de l’impulsion code la valeur binaire ou le symbole à transmettre, dans une fenêtre de temps donnée :

Modulation PPM avec des signaux ultra-large bande
Modulation PPM avec des signaux ultra-large bande.

Dans ce chapitre, nous venons de voir trois possibilités qui s’offrent à nous pour transmettre des données par voie radio : communications radio à base de modules radio bon marché, communications Bluetooth Low Energy, et communications ultra-large bande. Dans le chapitre suivant, nous allons voir comment on peut mettre en œuvre ces communications en utilisant des transceivers radio.

Exemple de certificat de réussite
Exemple de certificat de réussite