Résolution des interférences dans les systèmes de contrôle industriel sans fil haute fiabilité

Les contrôles sans fil représentent un avantage majeur pour les systèmes industriels mais il existe certains défis clés à relever. Cet article porte sur les défis que posent les interférences dans les systèmes de contrôles industriels haute fiabilité, et sur les fréquences et protocoles sans fil qui sont mis en œuvre dans une variété de dispositifs et de modules d'émetteur-récepteur proposés par DecaWave, Linx Technologies, Digi et Atmel.

Plusieurs méthodes permettent de minimiser les interférences dans les systèmes de contrôle sans fil pour l'automatisation industrielle. Les concepteurs peuvent exploiter le bilan de liaison, la distance, la fréquence et les protocoles pour développer les liaisons sans fil les plus fiables possibles. Les interférences peuvent provenir de nombreuses sources, notamment du bruit électrique large bande vers d'autres systèmes sans fil fonctionnant à proximité.

Les protocoles représentent un moyen d'optimiser la liaison à travers le multiplexage par répartition en code (CDMA) afin de minimiser les effets de perte de symboles. La correction d'erreurs sans circuit de retour et le contrôle par redondance cyclique (CRC) sont désormais ajoutés systématiquement pour maintenir l'intégrité des données, mais ils peuvent utiliser des bits précieux dans la charge utile.

Des techniques d'étalement du spectre et de saut de fréquence sont également utilisées pour minimiser les interférences. L'étalement du signal sur une plage de fréquences réduit également l'impact des interférences au niveau de n'importe quelle fréquence. La liaison peut détecter un problème et basculer automatiquement vers une autre bande pour éviter les interférences dans un schéma de saut de fréquence.

Les concepteurs peuvent également tirer profit de la portée offerte par ces techniques, pouvant atteindre jusqu'à 12 km pour certains systèmes, pour fournir un bilan de liaison plus élevé dans un site de production susceptible d'être moins vulnérable à d'autres signaux. 

Toutes ces techniques ont des répercussions sur le spectre de fréquences utilisé. Les bandes inférieures à 1 GHz de 868 MHz et 902 MHz sont saturées par de nombreux types de liaisons différents, ce qui signifie que l'étalement du spectre ou le saut de fréquence n'est pas viable, tandis que la bande 2,4 GHz est basée sur le protocole ZigBee basse consommation, mais doit également prendre en charge le Wi-Fi et le Bluetooth et gérer les interférences courantes des fours à micro-ondes et d'autres systèmes industriels.

Par exemple, il n'existe que quelques canaux ZigBee qui ne sont pas communs au Wi-Fi (les canaux 15, 20, 25 et 26) et qui présentent donc des interférences négligeables, tandis que pour chaque canal Wi-Fi, il y a quatre canaux ZigBee se superposant. La réduction du taux d'erreurs de paquets (PER) est étroitement liée à la distance entre la source d'interférences et le récepteur et aux différences de fréquences centrales (entre la source d'interférences et le récepteur), ce qui présente des défis considérables pour les concepteurs de systèmes utilisant la bande 2,4 GHz.

Au lieu de s'attaquer directement à cette difficulté, DecaWave utilise une combinaison de protocoles ultralarge bande et de la bande 3,5 GHz à 6,5 GHz pour produire des débits de données plus élevés moins exposés aux interférences. La puce DW1000 de DecaWave est un circuit intégré monopuce ultralarge bande CMOS complet basé sur la norme IEEE802.15.4-2011. Il s'agit de la première de la gamme ScenSor (Seek Control Execute Network Sense Obey Respond). Elle fonctionne à des débits de données de 110 kbps, 850 kbps et 6,8 Mbps, et grâce aux fréquences plus élevées, permet également de localiser des objets balisés en intérieur et en extérieur dans un rayon de 10 cm.

Figure 1 : Schéma fonctionnel de l'émetteur-récepteur DW1000.

La technologie est conçue à la fois pour des liaisons haute fiabilité pour un emplacement précis en intérieur et pour la communication destinée à l'automatisation en usine, particulièrement dans des emplacements distants ou difficiles d'accès. Étant donné que la puce DW1000 permet une mesure précise du temps et des communications de données simultanées, elle peut être utile pour une grande variété d'applications par des développeurs de systèmes de localisation en temps réel (RTLS) et de systèmes de positionnement en intérieur, ainsi que pour l'Internet des objets et les réseaux de capteurs sans fil.

Les fournisseurs d'équipement d'automatisation en usine peuvent intégrer la technologie dans des outils d'automatisation et de surveillance avec une précision d'emplacement de 10 cm contre 3 à 5 m pour les systèmes RTLS Wi-Fi. L'utilisation de fréquences plus élevées fournit également des débits de données pouvant atteindre 6,8 Mbit/s, contre 250 kbit/s pour ZigBee et 1 Mbit/s pour Wi-Fi.

Le protocole utilisé est la norme 802.15.4a, qui correspond à une combinaison de la modulation de position de rafales (BPM) et de la modulation par déplacement binaire de phase (BPSK). La combinaison BPM-BPSK sert à la modulation de symboles, chaque symbole étant composé d'une rafale d'impulsions ultralarge bande qui réduit la vulnérabilité aux interférences à une fréquence particulière. La puce combine également six canaux avec répartition en fréquence (FDMA) avec des techniques de répartition en code CDMA qui utilisent deux codes différents par canal pour mieux optimiser la liaison de canal et réduire les interférences. Elle est ensuite combinée avec une correction d'erreurs FEC et CRC intégrée pour garantir que les interférences n'ont aucun impact sur le signal.

La technologie présente également une immunité intégrée aux interférences dues à la propagation par trajet multiple, étant donné que la bande de fréquences dans l'impulsion n'est pas correctement réfléchie et se dissipe plus facilement.

Le DW1000 utilise une tension d'alimentation simple de 2,8 V à 3,6 V et présente un courant de mode de transmission à partir de 31 mA et un courant de mode de réception à partir de 64 mA pour un fonctionnement basse consommation.

Dans la bande inférieure à 1 GHz, Linx Technologies a développé un émetteur-récepteur pour un contrôle à distance longue portée fiable et des applications de capteur. Le TRM-900-TT comprend un émetteur-récepteur RF hautement optimisé à étalement de spectre par saut de fréquence (FHSS) et un transcodeur de contrôle à distance intégré. Le système FHSS permet une puissance supérieure avec moins d'interférences et offre donc une plus longue portée que les radios à bande étroite.

Fonctionnant dans une bande de fréquences de 902 à 928 MHz, le module atteint une sensibilité typique de ‑112 dBm. La version de base permet de générer une puissance de sortie d'émetteur de +12,5 dBm et fournit une portée de plus de 3,2 km (2 miles) pour une ligne de liaison de site dans des environnements typiques avec des gains d'antenne de 0 dB. Une version haute puissance délivre +23,5 dBm, pour une portée atteignant 12,8 km (8 miles). 

Le synthétiseur RF contient un oscillateur commandé en tension (VCO) et une PLL fraction-N à faible bruit. L'oscillateur VCO fonctionne au double de la fréquence fondamentale pour réduire les émissions parasites causant des interférences, afin de permettre une plus longue portée. Les synthétiseurs de réception et de transmission sont intégrés, ce qui leur permet d'être configurés automatiquement afin atteindre un bruit de phase, une qualité de modulation et un temps de stabilisation de pointe.

Le récepteur intègre des amplificateurs de faible bruit efficaces qui fournissent une sensibilité jusqu'à –112 dBm. Par ailleurs, Linx a développé des techniques de blocage d'interférences avancées qui rendent l'émetteur-récepteur extrêmement robuste en présence d'interférences dans la bande inférieure à 1 GHz.

Des modules tels que le XBee de Digi permettent aux concepteurs de permuter entre les bandes 2,4 GHz et 900 MHz en utilisant le protocole 802.15.4. Ces modules RF embarqués ont une empreinte commune partagée par plusieurs plateformes, notamment les topologies multipoints et ZigBee/Mesh avec des solutions 2,4 GHz et 900 MHz. Les développeurs qui déploient XBee peuvent remplacer un module XBee par un autre, selon les besoins dynamiques de l'application avec un développement minimal, avec les versions 2,4 GHz pour un déploiement global et les versions 900 MHz pour une plus longue portée ou des environnements qui nécessitent une immunité supérieure aux interférences.

Figure 2 : Le module XBee de Digi présente la même empreinte pour les versions 2,4 GHz et 900 MHz.

Les interférences sont l'une des principales raisons poussant les développeurs à passer aux modules. Les modules fournissent à la fois une protection contre les interférences électromagnétiques par l'intermédiaire d'un blindage, mais présentent également des conceptions de chemin d'antenne optimisées pour réduire les interférences provenant du reste de l'équipement électronique et de sources externes. 

Le module basse consommation ATZB-S1-256-3-0-C ZigBit de 2,4 GHz d'Atmel est un module traditionnel ZigBee qui associe un microcontrôleur AVR 8 bits basse consommation et un émetteur-récepteur à haut débit de données fournissant des débits de données élevés de 250 kb/s à 2 Mb/s, la gestion de trame, une sensibilité élevée au niveau du récepteur et une puissance de sortie de transmission élevée pour offrir une communication sans fil robuste. Le module est conçu pour les applications d'acquisition de données, de surveillance, de contrôle et de détection sans fil.

Figure 3 : Module ATZB-S1-256-3-0-C ZigBit d'Atmel.

Pour faire face aux interférences, la norme IEEE802.15.4 prend en charge deux options PHY basées sur DSSS (étalement du spectre à séquence directe). L'option PHY de 2,4 GHz utilise une modulation Q-QPSK, tandis que les versions 780/868/915 MHz utilisent une modulation BPSK. Les deux options peuvent fournir d'excellentes performances de taux d'erreur sur les bits (TEB). Pour mettre en évidence les défis liés à l'utilisation du saut de fréquence dans ces bandes à plus basse fréquence, la couche physique 802.15.4 offre trente et un canaux, quatre pour la bande 780 MHz pour la Chine (802.15.4c), un pour la bande 868 MHz pour l'Europe, dix pour la bande 915 MHz pour l'Amérique du Nord et seize pour la bande 2,4 GHz partout dans le monde.

Il est parfois nécessaire de supprimer les interférences directement dans le dispositif. Le WL1835MOD de Texas Instruments associe des liaisons Wi-Fi MIMO et Bluetooth 4.0 dans un dispositif unique qui présente des défis majeurs de gestion des interférences entre les canaux.

Figure 4 : Le WL1835MOD de TI élimine les interférences entre les opérations Wi-Fi et Bluetooth sur la même puce.

La puce inclut des amplificateurs de puissance 2,4 GHz intégrés pour le Wi-Fi et un processeur de bande de base qui gère les débits de données 802.11b/g et 802.11n avec des conceptions SISO 20 MHz ou 40 MHz (une antenne) et MIMO 20 MHz (plusieurs antennes), et un circuit d'entrée radio Bluetooth.

Une telle structure nécessite un nouveau schéma de coexistence avancée. Cela fonctionne au niveau MAC pour coordonner l'utilisation de l'ensemble de la bande passante dans la bande 2,4 GHz. À tout moment, l'ensemble de la bande passante disponible peut être dédié au 802.11 ou au Bluetooth, tant que l'un des deux est inactif. Par exemple, lorsqu'aucune communication Bluetooth n'a lieu, l'ensemble de la bande passante peut prendre en charge des communications 802.11n à des vitesses pouvant atteindre 54 Mbit/s. À l'inverse, lorsque la radio 802.11 est inactive, l'intégralité de la bande passante dans la plage 2,4 GHz peut être dédiée aux communications Bluetooth. Pour garantir la qualité de certains types de communications stratégiques, principalement les canaux audio, la solution de coexistence permet de définir de manière intelligente différentes priorités en fonction de la nature de sensibilité au temps de la communication.

Conclusion

Il existe plusieurs moyens de minimiser l'impact des interférences : abandon des bandes saturées, utilisation de techniques d'étalement du spectre et de saut de fréquence, et renforcement de la liaison avec des récepteurs plus sensibles et des émetteurs plus puissants et des configurations optimisées pour réduire les impacts des signaux externes. Tout cela permet aux concepteurs d'équipement d'automatisation industrielle de tirer profit du bilan de liaison et de la distance de liaison pour mettre en œuvre les liaisons haute fiabilité dont ils ont besoin.