Mise en œuvre et caractérisation d un système de transmission RF dans la bande ISM 2.4 GHz GHz

Transcription

1 Mise en œuvre et caractérisation d un système de transmission RF dans la bande ISM 2.4 GHz GHz Jérôme Tissier Département Electronique et Sciences Physiques Groupe ESEO - 4 rue Merlet de la Boulaye, BP30926, Angers Cedex 01, France (Pôle CNFM de Rennes- CCMO) Présentation et contact : Jérôme Tissier (jerome.tissier@eseo.fr) Résumé Cet article présente une activité pratique, organisée sous la forme d un mini-projet, mise en place cette année, à l intention des étudiants de deuxième année ingénieur (M1) de l ESEO, sur un volume horaire de 16 heures. Son objectif pédagogique est double. D une part, ce mini-projet doit permettre aux étudiants de comprendre et mesurer les paramètres importants d un émetteur/récepteur RF (puissance émise et reçue, sensibilité du récepteur, encombrement spectral de la modulation employée, débit, PER ). D autre part, il doit permettre aux étudiants de se familiariser avec des outils de mesures plutôt spécifiques au domaine RF/Hyper à savoir des analyseurs de spectre et des analyseurs de réseaux vectoriels. 1. Démarche pédagogique Ce mini-projet, d une durée totale de 16 heures, est né de la réorganisation de nos activités pédagogiques pratiques du premier semestre de la deuxième année du cycle ingénieur (M1-S7). La première séance de 4 heures est une séance de TP traditionnelle, encadrée, qui doit permettre aux étudiants répartis en binômes, de se familiariser avec l utilisation d un analyseur de réseau vectoriel et d un analyseur de spectre par la mesure respective d un amplificateur faible bruit et d un amplificateur de puissance, éléments analogiques clefs d un émetteur/récepteur RF. Cette séance est aussi consacrée à une étude bibliographique sur les différents types de modulations numériques pouvant être employés par l émetteur/récepteur utilisé. Les étudiants travaillent alors de manière autonome et ont à chercher l information par leur propre moyen. Cette méthode s inspire de la méthode utilisée lors de l APP (Apprentissage Par Projet) Communication numérique et analogique, réalisé en première année du cycle ingénieur (L3-S6). Au cours des deuxième et troisième séances suivantes, les étudiants se regroupent par 4 (à cause de contraintes matérielles) et mettent en pratique les connaissances acquises lors de la première séance pour caractériser différents points de leur émetteur/récepteur : adaptation de l antenne, sensibilité du récepteur, mesure de la puissance émise et reçue, encombrement spectral de différentes modulations numériques, débit maximal possible en fonction de la modulation employée Enfin, la dernière séance de 4 heures est réservée à l évaluation. Chaque groupe de 4 étudiants présente un petit exposé oral dans lequel il commente et explique à l enseignant tous les résultats pratiques obtenus au cours de ce mini-projet ainsi que les études bibliographiques réalisées. 2. Mesures de l amplificateur faible bruit (LNA) et de l amplificateur de puissance (PA) du CC2591 Les amplificateurs (faible bruit pour la réception et de puissance pour l émission) sont des éléments analogiques incontournables des chaînes de transmission sans fil modernes. Placés juste derrière l antenne ils vont définir directement la qualité du transmetteur tant en émission (niveau de puissance émis, débit ) qu en réception (sensibilité, rapport signal à bruit ). L émetteurrécepteur intégré 2.4 GHz (CC2500 de Texas Instrument [1]) que nous étudierons plus en détail dans la suite du mini-projet ne déroge pas à cette règle (figure 1). Figure 1 - Schéma synoptique simplifié du CC2500 Pour des raisons pratiques de mesures (pas de deuxième accès RF disponible sur le CC2500) ce n est pas le PA et le LNA du CC2500 que les étudiants caractériseront mais ceux du CC2591 [2]. Le CC2591 s intercale entre l antenne et le CC2500 et améliore ainsi la puissance émise en configuration

2 émetteur (limitée à seulement 0 dbm avec le CC2500) et la sensibilité en configuration récepteur. Il possède, comme le CC2500, un PA en mode émetteur, un LNA en mode récepteur et un switch pilotable numériquement pour passer d un mode à l autre. Il a de plus l avantage d être disponible en circuit d évaluation (figure 2) sur lequel on peut passer simplement du mode émetteur (configuration PA) au mode récepteur (configuration LNA). mesurer le courant continu consommé par le PA de manière à évaluer le PAE (Power Added Efficiency, P donné par : s Pe PAE = 100 ) en fonction de la PDC puissance d entrée P e (figure 5) Comme précédemment, ils peuvent vérifier la cohérence des résultats obtenus par comparaison avec les données du constructeur, fournies dans la datasheet du CC2591[2] Ps en dbm Figure 2 circuit d évaluation du CC Résultats de mesures de l amplificateur faible bruit (LNA) Après étalonnage de l analyseur de réseau vectoriel par la méthode SOLT, les étudiants ont à mesurer les paramètres S de leur LNA. (figure 3). Ils peuvent vérifier la cohérence des résultats obtenus par comparaison avec les données du constructeur fournies dans la datasheet du CC2591[2] Pe en dbm PAE en % Figure 4 tracé de P s en fonction de P e 10 db(s(2,1)) freq, GHz Figure 3 paramètres S mesurés du LNA 2.2 Résultats de mesures de l amplificateur de puissance (PA) A l aide d un générateur RF à 2.44 GHz, les étudiants font varier la puissance d entrée, injectée sur l entrée du PA et mesurent la puissance de sortie sur analyseur de spectre, de manière à pouvoir tracer la courbe P s =f(p e ) (figure 4), et en déduire le gain de l amplificateur et son point de compression à 1 db. En parallèle, ils ont à db(s(2,2)) db(s(1,1)) Pe en dbm Figure 5 tracé du PAE en fonction de P e 3. Etude bibliographique sur les modulations numériques Pendant que la moitié des étudiants est en TP, l autre moitié effectue une étude bibliographique sur les modulations numériques et il y a inversion au bout de la durée du TP (environ 2 heures) de telle sorte que tous les étudiants auront eu une partie pratique et une partie théorique au cours de cette première séance de miniprojet. Cette étude bibliographique porte sur les trois modulations supportées par le CC2500 et que les étudiants utiliseront par la suite, à savoir les modulations ASK-OOK, FSK et MSK. A l issu de celle-ci les étudiants devront être capable :

3 de présenter et expliquer chacune de ces modulations de manière claire et détaillée, de donner l encombrement spectral de chacune de ces modulations, de définir l indice de modulation d une modulation FSK en précisant bien les termes employés dans sa définition, de présenter les avantages et inconvénients de chacune de ces modulations. permettant de modifier simplement tous les paramètres reconfigurables du CC2500 (mode émetteur/récepteur puissance émise, type de modulation, fréquence centrale, débit ) sans avoir à passer par une longue et fastidieuse programmation du microcontrôleur (figure 7) Pour cette étude, outre les ressources disponibles sur internet, nous leur mettons à disposition un livre, déjà utilisé l année précédente pour notre APP (Apprentissage Par Projet) [3] 4. Etude et mesure du système de transmission RF à 2.4 GHz 4.1 Matériel utilisé L élément central de ce système de transmission est un circuit intégré RF de Texas Instrument, le CC2500 [1] pouvant servir à la fois d émetteur et de récepteur Ce circuit intégré est monté sur un circuit d évaluation, le CC2500EM. Le CC2500EM est, quant à lui, monté sur une carte de développement (SmartRF04EB), présentée figure 6 et fournie également par Texas Instrument dans un kit complet de développement, le CC2500DK [4]. Figure 7 exemple d interface fournie par le logiciel Smart RF Studio 4.2 Mesure de l adaptation de l antenne L antenne fournie dans le kit de développement et qui sera utilisée pour la communication est une antenne brin en λ/4. Les étudiants ont à mesurer l adaptation de l antenne et son TOS sur analyseur de réseau. En outre, en étudiant son diagramme de rayonnement fourni dans la datasheet, ils ont à conclure sur les performances ainsi que les avantages et inconvénients d une telle antenne. Figure 6 carte de développement SmartRF04EB La carte de développement présentée sur la figure 6 contient toutes les couches nécessaires, tant hard que soft, pour réaliser et tester simplement une application sans fil dans la bande des 2.4 GHz. Elle possède, entre autre un microcontrôleur USB, le C8051F320 de Silicon Labs, qui va permettre de piloter et configurer notre Emetteur/Récepteur CC2500. Le dialogue entre l utilisateur et la carte se fera par l intermédiaire d un logiciel (fourni également par Texas Instrument) nommé Smart RF Studio [5]. Pour se faire, une liaison USB sera utilisée entre le port USB de la carte et le PC de l utilisateur. Smart RF Studio est un logiciel qui fourni à l utilisateur une interface sur son PC 4.3 Mesure du seuil de sensibilité du récepteur Le seuil de sensibilité du récepteur est une donnée très importante pour déterminer la qualité d un récepteur. Elle représente le plus faible signal RF que peut recevoir le récepteur tout en gardant une qualité de signal informatif transmis acceptable. Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour déterminer ce seuil de sensibilité en fonction du matériel à disposition [6] Pour mettre en œuvre une de ces méthodes, les étudiants auront besoin d un générateur RF associé à un générateur de fonction, d un oscilloscope, d un analyseur de spectre, d un PC avec Smart RF studio et d une carte SmartRF04EB (figure 8).

4 4.4.1 Puissance réelle émise Le but de cette manipulation est de vérifier, à l aide d un analyseur de spectre, le niveau de puissance réel émis par l émetteur pour différentes valeurs de puissances programmées sur Smart RF Studio Puissance réelle reçue Cette fois-ci, l objectif de la mesure est de valider l équation des télécommunications en espace libre qui, sous sa forme la plus simple, est donnée par : Figure 8 principe de mesure du seuil de sensibilité Pour créer une modulation FSK, on utilise un générateur RF en modulation de fréquence piloté en externe par un générateur de fonction fournissant un signal carré. On crée ainsi un signal informatif en facilement identifiable à l oscilloscope, une fois passé par le récepteur pour être démodulé. Pour déterminer le seuil de sensibilité, on a plus alors qu à baisser le niveau de puissance du générateur RF jusqu à détecter une erreur de transmission de bit sur l oscilloscope (figure 9). λ Pr = Pt + Gt + Gr + 20log 20log d 4π avec : P t puissance transmise en dbm P r puissance reçue en dbm G t gain de l antenne d émission en dbi G r gain de l antenne de réception en dbi d la distance en m séparant les 2 antennes λ la longueur d onde en m correspondant à la fréquence de travail Pour se faire, les étudiants utiliseront là encore l analyseur de spectre, sur lequel ils auront connecté leur antenne brin pour mesurer la puissance reçue, à une certaine distance d de l émetteur. 4.5 Mesure de l encombrement spectral des modulations FSK, ASK/OOK et MSK Figure 9 signal démodulé et horloge de synchronisation près du seuil de sensibilité Par cette méthode, les étudiants doivent pouvoir retrouver le seuil de sensibilité du récepteur du CC2500, qui doit être d environ -100 dbm pour un débit symboles de 10 kbaud. 4.4 Mesure des puissances RF émise et reçue Pour réaliser ces mesures, l émetteur continu une porteuse non modulée. enverra en Pour réaliser ces mesures, l émetteur enverra en continu une porteuse modulée par un signal informatif aléatoire. Le but de ces mesures est de vérifier les encombrements spectraux théoriques de chacune des modulations que les étudiants ont du trouver lors de l étude bibliographique. Les mesures sont faites sous analyseur de spectre, directement à la sortie de l émetteur. Ce dernier est paramétré sous Smart RF Studio avec les caractéristiques suivantes : modulations employées : FSK à 2 fréquences porteuses avec une excursion de fréquence de 50 khz ASK/OOK MSK puissance de l émetteur : -10 dbm débit symboles : 50 kbauds Les figures 10, 11 et 12 présentent les spectres obtenus pour chacune des modulations citées précédemment que les étudiants doivent observer, ainsi que les encombrements spectraux qu ils doivent mesurer.

5 Figure 10 spectre de la modulation ASK/OOK pour une fréquence porteuse de GHz 4.6 Visualisation du diagramme de l œil du signal reçu Les analyseurs de spectre que nous avons à disposition pour ce mini-projet (N9320B de Agilent) possèdent la fonction démodulation d un signal ASK ou FSK et affichage, soit directement de la trame du signal informatif démodulé ou bien encore du diagramme de l œil associé à ce signal informatif démodulé. Les étudiants peuvent mettre à profit cette possibilité offerte par les analyseurs de spectre pour mesurer le diagramme de l œil du signal démodulé à la réception et voir l influence de la position et de la distance de l émetteur sur la qualité de la réception. Un exemple de diagramme de l œil obtenu est présenté sur la figure 13. L émetteur émet en continu et en modulation ASK/OOK un signal informatif aléatoire. Le débit symbole est réglé à 50kBauds. La puissance d émission est de -10 dbm et la distance entre l émetteur et le récepteur (l analyseur de spectre sur lequel est connectée l antenne) est d environ 3m50. Figure 11 spectre de la modulation FSK pour une fréquence porteuse de GHz Figure 13 exemple de diagramme de l œil obtenu sur l analyseur de spectre. 4.7 Mesures sur le système de transmission complet Il est demandé maintenant aux étudiants d établir une communication entre l émetteur et le récepteur avec les caractéristiques suivantes : Figure 12 spectre de la modulation MSK pour une fréquence porteuse de GHz modulation employée : FSK à 2 fréquences porteuses avec une excursion de fréquence de 50 khz puissance de l émetteur : -10 dbm débit symboles : 50 kbauds Le mode d émission/réception par paquet sera maintenant utilisé sous Smart RF studio. Il est tout d abord demandé aux étudiants de transmettre quelques mots de l émetteur vers le récepteur

6 et de mesurer le PER (Packet Error Rate) obtenu grâce à Smart RF Studio. Le message devra être envoyé un nombre de fois suffisant pour que la mesure soit précise et cohérente. On admet généralement qu un PER de 1% est correct pour définir une communication de bonne qualité. Les étudiants ont donc maintenant à ajuster le débit symbole pour trouver le débit symbole maximum qu ils peuvent obtenir en conservant un PER de 1% ou moins. Ils ont enfin à réaliser une mesure identique avec les modulations ASK/OOK et MSK de manière à établir une comparaison entre les différentes modulations. 5. Conclusion Dans cet article, un mini-projet de 16h, destiné aux étudiants de deuxième année du cycle ingénieur (M1-S7) de l ESEO a été présenté. Le thème de ce mini-projet est la mise en œuvre et la caractérisation d un système de transmission RF dans la bande ISM 2.4 GHz GHz. Il s inscrit dans la suite logique de l APP (Apprentissage Par Projet) Communication numérique et analogique, réalisé en première année du cycle ingénieur (L3-S6) et se situe à mi-chemin entre un enseignement pratique traditionnel et un enseignement plus novateur type APP. Il se compose tout d abord d un TP traditionnel, encadré, qui doit permettre aux étudiants de se familiariser avec l utilisation d un analyseur de réseau vectoriel et d un analyseur de spectre par la mesure respective d un amplificateur faible bruit et d un amplificateur de puissance. Ce TP, ainsi que l étude bibliographique non encadrée effectuée en parallèle, doit permettre aux étudiants d aborder de manière plus autonome la seconde partie du mini-projet, au cours de laquelle ils vont devoir tout d abord mesurer différents paramètres de leur émetteur/récepteur RF à savoir, l adaptation de l antenne, la sensibilité du récepteur, les puissances réelles RF émise et reçue, l encombrement spectral de différentes modulations numériques (ASK/OOK, FSK, MSK) ou bien encore le diagramme de l œil du signal démodulé à la réception. Ensuite, ils vont pouvoir établir une communication entre leur émetteur et leur récepteur et évaluer le débit maximal possible en fonction de la modulation employée pour comparer les différentes modulations entre elles. L émetteur/récepteur RF utilisé dans ce mini-projet est monté sur une carte de développement qui contient toutes les couches nécessaires, tant hardware que software, pour réaliser et tester simplement une application sans fil dans la bande des 2.4 GHz, ceci grâce à l utilisation du logiciel Smart RF Studio. Cet ensemble carte de développement+logiciel Smart RF Studio, utilisé dans l industrie pour évaluer rapidement les performances d un système RF peut donc également s avérer très utile à des fins plus pédagogiques comme c est le cas pour notre mini-projet. Références [1] [2] [3] J.L. Azan, Précis d électronique, Bréal [4] cc2550dk.html [5] [6] M. Engjom, Practical Sensitivity Testing, Texas Instrument Design Note DN002