France : correspondant principal

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1 Apprendre à maîtriser des outils de caractérisations de dispositifs microondes à distance grâce au LAB-EN-VI : LABoratoire d ENseignement VIrtuel : Nouvelles expériences pédagogiques expérimentales. Denis BARATAUD 1, Guillaume NEVEUX 1, Olivier TANTOT 1, Danielle ROUSSET 1, Philippe LEPROUX 1 1 Université de Limoges, XLIM, UMR n 6172, 123 Av. A. THOMAS, LIMOGES Cedex, France denis.barataud@unilim.fr : correspondant principal Résumé Cet article présente et détaille la mise en œuvre d un laboratoire d enseignement virtuel (LAB- EN-VI) à la Faculté des Sciences et Techniques de Limoges. Ce laboratoire permet à des étudiants du Master Professionnel Architecture des Réseaux et Technologies Induites des Circuits de Communications (A.R.T.I.C.C.) d avoir accès à des ressources à la fois logicielles et matérielles dans les domaines de l optique et des microondes. Ce laboratoire dédié à des formations ouvertes à distance procure aux étudiants la possibilité de bénéficier d une pédagogie innovante mise en œuvre au sein d un Campus Virtuel CvTIC existant depuis plus de dix ans à l Université de Limoges. Sont présentés dans cet article la mise en œuvre de ces ressources autour de manipulations utilisant des traceurs de carctéristiques I/V, des générateurs de signaux vectoriels et des analyseurs de signaux vectoriels très utilisés dans le domaine des microondes pour caractériser des dispositifs soumis à des signaux d excitations modulés. Mots-clés : Instrumentation distante, mesure micro-onde par les TICE, ingénierie numérique. 1. Introduction Depuis septembre 2008, une nouvelle formation ouverte à distance a vu le jour au sein du Campus Virtuel CvTIC, il s agit du Master Professionnel Architecture des Réseaux et Technologies Induites des Circuits de Communications (A.R.T.I.C.C.). Ce master prépare les étudiants aux métiers des télécommunications optiques et microondes de niveau ingénieur. Cette formation scientifique repose fortement sur l enseignement expérimental incontournable pour les futurs ingénieurs. Compte tenu du public international de cette formation, public qui a fait le choix d une formation à distance, les périodes de présentiel même courtes restent contraignantes et souvent difficiles à mettre en œuvre. La nécessité de pouvoir mettre à disposition ces appareils ces étudiants sans qu ils aient l obligation de venir sur site apparaît donc comme une évidence afin qu ils puissent acquérir les pratiques expérimentales nécessaires à leur métier. Le LAB-EN-VI permet donc d offrir cette capacité aux étudiants distants de disposer de ces appareils tout en bénéficiant d un tutorat fort de la part des enseignants : ainsi la phase d apprentissage souvent longue de l utilisation complexe de ces appareils est rendue possible par ce LAB-EN-VI. Ce laboratoire est fondé sur l utilisation des TICE (Technologie de l Information et de la Communication dans l Enseignement) qui ont montré leur intérêt dans l enseignement supérieur [1]. Des premières expériences de pratiques expérimentales dans le domaine des microondes existent mais restent encore assez rares tant au niveau de l enseignement pur [2] que de la recherche [3], [4].

2 Dans cet article, le premier paragraphe décrira l architecture choisie pour le LAB-EN-VI développé à l Université de Limoges en mettant l accent sur la capacité à offrir plusieurs solutions possibles d accès à l instrumentation. Le deuxième paragraphe présentera une application spécifique développée pour une formation au radiocommunications et plus spécifiquement à la génération et la réception de signaux modulés microondes. 2. Description architecturale du LABoratoire d Enseignement Virtuel Accès aux outils pédagogiques LAB-EN-VI L étudiant distant du master Professionnel Architecture des Réseaux et Technologies Induites des Circuits de Communications (A.R.T.I.C.C.) peut avoir accès à la fois à une plateforme de formation développée sous moodle [5] ou au serveur d application et donc au LAB-EN-VI après une identification unique selon un protocole d annuaire. Figure 1. Identification unique à la plateforme de formation, au serveur d application, et au LAB- EN-VI Ainsi l accès aux ressources est restreint aux étudiants inscrits à la formation ou aux personnels autorisés et reconnus dans l annuaire. Il nécessite pour l étudiant de posséder un ordinateur avec une liaison internet de débit suffisant et d un navigateur web standard. Les autres applications nécessaires lui seront fournies sur le serveur d application.en se connectant à la plateforme de formation : l étudiant retrouve alors les modules classiques de formation avec les outils intégrés de discussion synchrones (causettes), asynchrones (forum) et les accès aux ressources synchrones (classes virtuelles de type «Adobe Connect»[5]) ou asynchrones (tableaux blancs interactifs, vidéos, ). Grâce à cet identifiant, il accède aussi à un serveur d applications qui permet d avoir accès aux principaux logiciels scientifiques du domaine optique et microondes : Mathlab, Agilent ADS, HFSS, Labview. L architecture simplifiée du LAB- EN-VI est montrée sur la figure 2 suivante :

3 Service Commun Informatique Université de Limoges Étudiant distant Plateforme Moodle Annuaire INTERNET Département Physique Faculté des Sciences et Techniques virtuel d applications Laboratoire de recherche XLIM V V LAB-EN-VI de licences Figure 2. Architecture simplifiée du Lab-EN-VI Ce laboratoire d enseignement virtuel est fondé sur l utilisation du protocole http avec des sécurités de type pare-feu à la fois au niveau du Service Commun Informatique (SCI) de l Université de Limoges, du laboratoire de recherche XLIM qui gère l accès aux licences utilisées dans le cadre du serveur d application hébergé par le SCI. Au sein d XLIM et du département de physique. D un point de vue organisationnel, ce LAB-EN-VI requiert la présence d un formateur/tuteur qui va expliquer les principes de base du fonctionnement des différents équipements. Ce formateur se trouve donc auprès des équipements pour les manipuler, réaliser les connexions et les configurations utiles. L utilisation d une classe virtuelle équipée d appareils vidéo (Webcam) permet de délivrer le cours à l ensemble du groupe de travail avec une connexion simultanée de plusieurs étudiants. Une fois que les principes de base ont été présentés, les étudiants apprennent à utiliser les principales fonctionnalités des instruments en en prenant le contrôle à distance. Ils apprennent alors à concevoir leurs propres interfaces pour piloter les équipements et récupérer les données qu ils stockent sur le serveur d application dans l espace qui leur est réservé Accès aux outils pédagogiques LAB-EN-VI Pour accéder aux équipements du LAB-EN6VI, l étudiant doit tout d abord apprendre à gérer les communications avec les instruments. Pour cela, il peut utiliser l outil Measurement &Automation Explorer qui lui est fourni par le serveur d application (MAX). IL peut alors gérer plusieurs types d interfaces comme montré sur la figure 3 suivante :

4 Figure 3. Gestion des communications avec les instruments à l aide de MAX Les instruments sont connectés via des interfaces standard (RJ45, boitier /GPIB, série, ) et leur contrôle est obtenu à l aide de différents bus : (RJ45), GPIB (General Purpose Interface Bus)/IEEE L étudiant apprend alors à envoyer des trames Ethernet dans lesquelles les requêtes pour les instruments sont encapsulées. Sur la figure suivante, l étudiant peut accéder directement au driver de l instrument connecté au serveur d application par une interface RJ45 sur le bus : il peut alors lui-même apprendre à configurer l instrument via une image virtuelle du panneau de face avant de l instrument ici un Analyseur de Réseau vectoriel R&S ZVL [7], [8]. Figure 3. Exemple de pilotage d un instrument grâce à une face avant virtuelle.

5 3. Exemple de réalisation pratique génération et acquisition de signaux modulés microondes Description du banc de caractérisation de mesure de signaux modulés aux bornes de dispositifs non linéaires Un exemple d application réalisée dans le cadre du master Professionnel ARTICC concerne la mesure d intermodulation d ordre 3 d un amplificateur de puissance lorsqu il fonctionne en régime non linéaire. Le banc de caractérisation est alors constitué : d un générateur de signaux modulé (SMBV100A) qui permet de générer une modulation d amplitude à porteuse supprimée dont les fréquences et les amplitudes de porteuses et de modulation sont ajustables. Ce générateur envoie alors les signaux modulés dans l amplificateur de puissance RF entièrement conçu par les étudiants dans un projet réalisé à distance à l aide du logiciel ADS. d un analyseur de spectre (ZVL) qui permet de visualiser le spectre de sortie de l amplificateur de puissance RF réalisé par les étudiants, d une alimentation triple sortie programmable (PPT3615) Ces trois instruments sont interconnectés grâce à ne interface /GPIB comme le montre la figure 4 suivante : Service Commun Informatique Université de Limoges Étudiant distant Plateforme Moodle virtuel d applications CAS INTERNET Département Physique Faculté des Sciences et Techniques /GPIB V LAB-EN-VI PPT3615 Laboratoire de recherche XLIM SMBV100A ZVL RF IN RF OUT Amplificateur de puissance RF Réalisé par les étudiants Figure 4. Banc de mesure d intermodulation d ordre 3 d un amplificateur RF dans le LAB-EN- VI.

6 3.2. Résultats expérimentaux et démarche pédagogique Les étudiants après avoir polarisé l amplificateur et vérifié son point de fonctionnement correct (mesure du courant de drain sur l alimentation programmable) doivent créer un instrument virtuel sous LABVIEW pour générer le signal modulé autour d une porteuse à 2 GHz et dont la fréquence de modulation est égale à 100kHz. Ils envoient ce signal dans l amplificateur. Ils créent un autre instrument virtuel pour mesurer le spectre du signal et l évolution de l intermodulation d ordre 3 en fonction du niveau de puissance. Dans toutes ces étapes, ils sont aidés par le formateur/tuteur qui les guide et les encadre en permanence. Ce tutorat doit être fait en travail collaboratif. Puis les étudiants selon un calendrier bien précis peuvent accéder seuls aux instruments pour réaliser leurs mesures en faisant varier la fréquence de modulation. Une dernière démarche de travail collaborative est demandée aux étudiants pour qu ils créent un rapport où apparait la comparaison de l évolution de l intermodulation d ordre 3 en fonction du niveau de puissance et de la fréquence de modulation. Un exemple de face avant et de diagramme pour cette mesure est montré sur la figure 5 : Figure 5. Exemple de la mesure d intermodulation d ordre 3 d un amplificateur RF dans le LAB-EN-VI.

7 4. Conclusion Cet article a présenté le laboratoire d enseignement virtuel (LAB-EN-VI) mis en œuvre à la Faculté des Sciences et Techniques de Limoges pour le Master Professionnel (A.R.T.I.C.C.). Il a montré à travers une description de l architecture logicielle et matérielle, comment les étudiants de cette formation pouvait tout en étant distant se former à l utilisation de matériels de mesure microonde. Les perspectives à donner à ce travail réside dans l accès multiutilisateur simultané aux mêmes équipements d un banc de mesure du LAB-EN-VI afin d améliorer encore le travail collaboratif dans ce domaine purement expérimental. 5. Bibliographie [1] B. Albero, B. Dumont «Les technologies de l'information et de la communication dans l'enseignement supérieur : pratiques et besoins des enseignants.», Item sup, [2] D. Courivaud, «Accès Internet à un laboratoire d électronique distant», Archive EduTice Education et Technologies de l information et de la communication, 2004, [3] B. Bayard,B. Sauviac, J. Fayolle, B. Allard, N. Gérard, «Projet WebAnalyzer Internet et l'instrumentation à distance», Technologies de l'information et de la communication dans l'enseignement Supérieur et l'entreprise, 2002, Référence HAL: ujm , version 1 [4] C. Gravier, J. Fayolle, B. Bayard, M. Ates and J. Lardon, «State of the Art about remote laboratories paradigms foundations of ongoing mutations», International Journal of Online Engineering 4, 1, 2008, [5] [6] [7] sf/html/fr_zvl1 [8] J. Ganzert «Remote Control of R&S Spectrum and Network Analyzers via.», Application Note.