Comparaison entre RF et Bluetooth

De nombreux choix s'offrent aux concepteurs en matière de connectivité sans fil dans les applications s'étendant des dispositifs d'interface humaine (HID) aux capteurs distants pour l'Internet des objets (IoT). Parmi les décisions les plus importantes à prendre et qui présentent encore une certaine difficulté pour de nombreux concepteurs figure le choix entre une interface RF basée sur des normes comme Wi-Fi, Bluetooth ou ZigBee, et une conception et un protocole de couche physique (PHY) RF propriétaires.

Les raisons expliquant la préférence pour l'un ou l'autre sont nombreuses, mais il en va de même pour les compromis associés, notamment en termes de coût, de sécurité, de consommation énergétique, d'interopérabilité, de temps de conception, de résistance aux interférences, de coexistence, de latence et d'exigences de certification. La plupart de ces compromis étant interdépendants, les concepteurs doivent donc déterminer au préalable les exigences de conception, pour ensuite l'optimiser en conséquence.

Cet article abordera les facteurs à prendre en compte dans le choix entre une interface Bluetooth standard et un protocole RF propriétaire. Il présentera ensuite un module Bluetooth 5, suivi d'une solution silicium sur laquelle il est possible de mettre en œuvre un protocole propriétaire, avec des directives adéquates sur l'exploitation rapide de chaque solution.

Avantages et inconvénients de la solution RF propriétaire

L'exemple de la couche PHY et du protocole propriétaires est avantageux si une conception nécessite d'être optimisée en matière de sécurité, de basse consommation, d'empreinte compacte et de performances.

La sécurité est essentielle pour de nombreuses applications, des systèmes d'ouverture de porte de garage aux dispositifs IoT. Les radios propriétaires permettent de traiter cette exigence de nombreuses façons. Tout d'abord, les conceptions propriétaires garantissent une « sécurité par l'obscurité ». En effet, une interface RF peu connue est plus difficile à pirater. En outre, les interfaces propriétaires tendent également à être de type point-à-point ou à fonctionner dans des systèmes fermés qui ne se connectent pas à des réseaux globalisés pour pouvoir rester masqués. Enfin, les concepteurs d'interfaces propriétaires peuvent librement développer leurs propres algorithmes de chiffrement avancé ou ajuster les anciens, sans requérir une interopérabilité avec les algorithmes de sécurité d'autres fabricants. La différence est en soi un avantage de sécurité.

Les conceptions radio propriétaires peuvent présenter des avantages lorsqu'il s'agit de garantir une connexion robuste face aux interférences des réseaux Wi-Fi, des fours à micro-ondes, des téléphones sans fil et des autres réseaux sans fil basse consommation. Sans les restrictions définies par une norme, les concepteurs ont la possibilité de mieux exploiter les spectres à l'aide de techniques telles que l'étalement du spectre à séquence directe (DSSS) et l'étalement du spectre à sauts de fréquence (FHSS). En outre, ils peuvent adopter le schéma de codage de leur choix en fonction du bilan de liaison prévu pour obtenir un meilleur débit ou une consommation énergétique plus faible.

Cette flexibilité s'applique également sur la structure des paquets de données. Sans la nécessité d'une surcharge de paquets pour garantir l'interopérabilité avec les dispositifs sans fil basés sur des normes, la structure des paquets peut être simplifiée en fonction des besoins de l'application.

D'un point de vue de conception matérielle, une bonne compréhension des exigences de performances et une garantie de l'immuabilité de ces exigences à une étape ultérieure permettent aux concepteurs d'une interface RF propriétaire d'optimiser l'espace, la puissance et les performances. Pour ce faire, ils peuvent également n'inclure que les fonctions nécessaires pour satisfaire les besoins de l'application.

Même si la solution RF propriétaire a de nombreux avantages, il existe plusieurs facteurs devant être pris en compte. Le premier est le coût : pour justifier le coût d'ingénierie non récurrente (NRE) d'une conception personnalisée de circuit intégré RF et des logiciels associés, surtout pour les dispositifs économiques, le volume prévu doit être > 100 000.

Le temps de conception est également étroitement lié au coût, surtout en considérant les aléas de la conception RF et l'insuffisance établie de l'expertise RF, ainsi que le temps nécessaire pour développer les micrologiciels et les logiciels requis pour une conception réussie.

Adoption généralisée et adaptation continue du Bluetooth

À l'autre extrême figure le Bluetooth. Initialement conçue comme une technologie de remplacement simple des câbles point-à-point pour les HID et les autres dispositifs qui encombraient les utilisateurs, la solution est rapidement devenue une solution de connectivité sans fil entre dispositifs et audio. Soumis au contrôle strict du groupe Bluetooth Special Interest Group (SIG), le Bluetooth est une norme facile à comprendre et les concepteurs peuvent avoir l'assurance que leurs dispositifs se connecteront et pourront communiquer avec d'autres dispositifs Bluetooth, indépendamment de la source matérielle.

La vaste adoption et l'interopérabilité des dispositifs ont entraîné la multiplication des matériels et logiciels, ce qui a permis de réduire les coûts et d'accélérer la commercialisation des conceptions nécessitant une interface sans fil. En outre, le Bluetooth a évolué au fil des années.

La technologie a toujours fonctionné sur la bande ISM (industrielle, scientifique et médicale) de 2,4 GHz, avec au début une modulation GFSK de ses 79 porteuses de 1 MHz pour donner un débit de 1 Mbps. Il s'agit du Bluetooth BR (Basic Rate). Son schéma de codage FHSS adaptatif lui permet de conserver sa robustesse face aux interférences, même avec l'intégration d'un plus grand nombre de dispositifs connectés sans fil avec l'IoT. Pour obtenir des débits de données plus élevés, la solution Bluetooth 2.0+EDR (Enhanced Data Rate) utilise une modulation π/4-DQPSK (modulation par déplacement de phase en quadrature à codage différentiel) et 8DPSK pour obtenir respectivement des débits de 2 et 3 Mbps.

Même si le Bluetooth est strictement contrôlé par le SIG, les concepteurs doivent évaluer de près les modifications intégrées avec la présentation de la spécification principale Bluetooth 4.0 en 2010. Cette dernière a permis l'introduction du Bluetooth Low-Energy (BLE), anciennement commercialisé sous le nom Bluetooth Smart. Comme le BLE n'est pas rétrocompatible avec le Bluetooth classique, les concepteurs doivent être vigilants dans son utilisation.

Le principal objectif du BLE est la basse consommation. Cela est possible en délaissant l'approche orientée connexion du Bluetooth classique, dans laquelle les dispositifs ont une connexion permanente, pour adopter une approche non connectée dans laquelle la connexion est établie uniquement au besoin et pour une courte durée. Les applications peuvent être portées, comme les montres connectées et les capteurs pour l'IoT.

Le Bluetooth SIG poursuit l'amélioration de la spécification pour répondre aux nombreux besoins de ses membres et de leurs applications. Pour en savoir plus sur l'évolution de la technologie, consultez l'article « Les outils et systèmes sur puce Bluetooth Low-Energy, compatibles avec Bluetooth 4.1, 4.2 et 5, répondent aux défis de l'IoT (1re partie) ».

La dernière version, le Bluetooth 5, double le débit de données du BLE de 1 Mbps à 2 Mbps et multiplie la portée d'une connexion de 128 kbps par 4 pour atteindre 50 m à l'aide d'une correction d'erreur directe (FEC) plus puissante. Le débit de données supérieur permettant la transmission d'un plus grand nombre de paquets dans un intervalle de temps donné, la consommation énergétique est donc réduite, étant donné que le dispositif peut rester en mode basse consommation ou veille pendant de longues périodes.

La portée étendue fournit aux concepteurs une flexibilité supérieure pour échanger le débit de données par la distance dans un dispositif Bluetooth, notamment les balises. Les balises sont des dispositifs BLE à batterie qui diffusent leur identifiant à des dispositifs mobiles environnants pour permettre à ces derniers d'exécuter certaines actions lorsqu'ils se trouvent à proximité de la balise. Très appréciées des annonceurs, elles permettent également un suivi précis en intérieur comme en extérieur.

Cependant, le SIG a mis en œuvre un autre ajustement intéressant que les concepteurs d'interfaces RF propriétaires peuvent également appliquer : le groupe a diminué le rapport surcharge/charge utile, requérant moins de transmissions pour l'envoi d'une quantité donnée de données « réelles », afin de réduire davantage la consommation énergétique.

Ce qui au début était une simple technologie de remplacement du câble est devenu une solution beaucoup plus utile. Ainsi, les concepteurs peuvent désormais se tourner vers une solution Bluetooth rapide et simple au lieu de subir les coûts et les dépenses liés à la conception de leur propre interface RF.

Exploitation du Bluetooth

Cette tendance à opter pour une interface Bluetooth se transforme en une nécessité à mesure que les délais de commercialisation se resserrent et que les budgets de conception diminuent. Heureusement, de nombreuses conceptions disposent d'un espace suffisant pour accommoder un module Bluetooth prêt à l'emploi, permettant à l'équipe de conception de se concentrer sur l'application finale et sa différentiation.

Parmi ces modules figure le module Bluetooth 5 BMD-330 de Rigado (Figure 1). Bien qu'il existe de nombreux modules Bluetooth, celui-ci est particulièrement intéressant et utile, car il est doté d'une antenne intégrée sur la carte. Le processus de placement et d'adaptation d'antenne figure parmi les subtilités de l'art de conception RF, et décharger le concepteur de cette tâche permet une économie de temps et la garantie d'un couplage de signaux optimal.

Figure 1 : Le module Bluetooth 5 BMD-330 comprend une antenne et des circuits d'adaptation intégrés pour simplifier et accélérer sa mise en œuvre. (Source de l'image : Rigado)

Le module est une solution complète avec des approbations réglementaires, son propre convertisseur CC/CC embarqué, un contrôle de puissance intelligent et un format de 9,8 mm x 14,0 mm x 1,9 mm. Bien que l'antenne soit incluse, elle a besoin d'un plan de masse approprié pour rayonner efficacement. En outre, la zone s'étendant de la partie antenne du module doit être tenue à l'écart d'éléments en cuivre et de tout autre métal, et le module doit être placé sur le bord de la carte à circuit imprimé, avec l'antenne tournée vers l'extérieur.

En installant le module dans un boîtier, veillez à ce qu'il n'y ait aucun métal à proximité de l'antenne pour ne pas affecter ses performances. Comme il est conçu et réglé pour un fonctionnement à l'air libre, des revêtements conformes, époxy d'enrobage ou de surmoulage peuvent affecter les performances et nécessiter des mesures supplémentaires après l'application pour garantir que le bilan de liaison est conforme à la spécification.

Le module est basé sur le système sur puce (SoC) nRF52810 de Nordic Semiconductor (Figure 2). Ce SoC utilise un processeur Arm® Cortex®-M4 cadencé à 64 MHz, avec 192 Ko de mémoire Flash et 24 Ko de RAM.

Figure 2 : Le module BMD-330 est basé sur le système sur puce nRF52810 de Nordic Semiconductor, qui inclut un processeur Arm® Cortex®-M4 et une radio de 2,4 GHz. (Source de l'image : Rigado)

Comme l'espace Flash est réduit, Rigado n'a fourni aucun micrologiciel sur le module. Sans chargeur d'amorçage, tous les micrologiciels doivent être chargés à l'aide de l'interface SWD (Serial Wire Debug). Après cela, cependant, Nordic fournit une large gamme de piles de protocoles appelée SoftDevices. Il s'agit de fichiers binaires précompilés et préliés, téléchargeables sur le site Web de Nordic. Le BMD-330 avec le système sur puce nRF52810 prend en charge la solution SoftDevice S132 (BLE central et périphérique) et la solution à mémoire optimisée SoftDevice S112 (BLE périphérique).

Les spécifications clés du module BMD-330 incluent une puissance de transmission de +4 dBm et une sensibilité de réception de -96 dBm (mode BLE). Il fonctionne avec une alimentation de 3 V et consomme 7,0 mA à +4 dBm et 4,6 mA à 0 dBm en mode de transmission. En mode de réception, il consomme 4,6 mA à 1 Mbps et 5,8 mA à 2 Mbps. Les spécifications de transmission et de réception nécessitent l'activation du convertisseur CC/CC : le courant augmente s'il est désactivé.

Le juste milieu entre la solution propriétaire et le Bluetooth

Entre une conception radio propriétaire personnalisée complète et le Bluetooth standard se trouve une autre option : un émetteur-récepteur radio prêt à l'emploi sur lequel les concepteurs peuvent développer leurs propres schémas de codage et protocole, ou adopter des versions prêtes à l'emploi comme Ant, Thread ou ZigBee. Avec la baisse du coût du silicium disponible et la prise en charge d'une vaste gamme de logiciels, il pourrait s'agir du « juste milieu » pour les concepteurs recherchant une différenciation, une certaine marge d'optimisation et une option pour améliorer la sécurité tout en réduisant les coûts et en préservant les délais de conception.

La gamme de systèmes sur puce à protocole propriétaire Flex Gecko EFR32FG14 de Silicon Labs constitue une excellente option pour les concepteurs intéressés par cette solution (Figure 3).

Figure 3 : La gamme Flex Gecko EFR32FG14 de Silicon Labs fournit une plateforme matérielle solide sur laquelle des logiciels propriétaires peuvent être ajoutés ou développés. (Source de l'image : Silicon Labs)

Comme le BMD-330, l'EFR32FG14 utilise également un cœur Arm® Cortex®-M4, mais s'exécutant à un maximum de 40 MHz au lieu de 64 MHz, car la puce cible largement les applications IoT basse consommation. Sa mémoire Flash atteint 256 Ko et la RAM 32 Ko. Il convient de noter que la puce prend en charge un fonctionnement 2,4 GHz et sub-GHz (915 MHz) et que des guides sur l'adaptation du réseau d'antennes sont fournis. La puce prend également en charge la diversité d'antenne pour limiter les effets d'évanouissement progressif de fréquences.

Plusieurs fonctionnalités de sécurité et E/S flexibles sont également intégrées, y compris : un système PRS (Peripheral Reflex System) à 12 canaux permettant une interaction autonome des périphériques de microcontrôleurs ; jusqu'à 32 GPIO ; et un crypto-accélérateur matériel autonome et un générateur de nombres aléatoires vrais. Des amplificateurs de puissance pour un fonctionnement 2,4 GHz et sub-GHz sont également intégrés à la puce.

Pour faciliter le processus de développement, la carte SLWRB4250A de la ligne EFR32FG de Silicon Labs (Figure 4) est disponible. Cette carte inclut un système sur puce, des embases, des quartz et des circuits d'adaptation d'antenne, ainsi qu'un logiciel.

Figure 4 : La carte radio Flex Gecko SLWRB4250A fournit le matériel nécessaire pour expérimenter une interface propriétaire sans fil basse consommation. (Source de l'image : Silicon Labs)

Conclusion

Il existe de nombreuses raisons pour choisir une solution de conception RF propriétaire complète ou une radio Bluetooth standard. Chaque solution a sa place lorsqu'il s'agit de répondre aux exigences de conception et d'application en termes de coût, de temps, de performances, de taille, de sécurité et de nombreux autres facteurs. Cependant, pour les concepteurs souhaitant bénéficier des nombreux avantages de gain de temps et d'argent des puces prêtes à l'emploi, et recherchant la flexibilité d'ajouter un certain niveau de différenciation propriétaire, les fournisseurs offrent désormais des plateformes matérielles robustes pour la conception.