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Techniques

Renforcer les communications sans fil dans le cadre du concept Industrie 4.0

Publication: 9 août

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Également connu sous l’appellation « Industrie du futur », le concept « Industrie 4.0 » est présenté comme une nouvelle révolution industrielle dans le cadre de laquelle les systèmes existants sont interconnectés pour créer des « systèmes cyberphysiques » (CPS — Cyber Physical Systems)...
 

La première révolution industrielle, marquée par la convergence de différentes technologies, a permis aux ingénieurs de passer de mécaniser la fabrication de produits pour les produire en masse en exploitant l’énergie produite par la vapeur. Aujourd’hui, différentes technologies convergentes la détection et les capteurs, les communications, et le Big Data pour le traitement de grands volumes de données sont considérées comme les piliers du concept Industrie 4.0. En dotant les systèmes embarqués de capacités de connexion, depuis la fabrication en usine jusqu’aux produits utilisés par les consommateurs, et en extrayant les données en temps réel, il apparait que des gains d’efficacité pouvant atteindre 30 % sont envisageables. Ces données pourraient non seulement être utilisées pour optimiser les processus de fabrication, mais également contribuer à la prise de décisions industrielles plus pertinentes, ouvrant la voie à de nouveaux types d’activités.

Le concept Industrie 4.0 repose sur une infrastructure de communications hautement fiable qui procure aux décideurs les moyens d’extraire des données stockées dans les machines, les usines et les appareils utilisés sur le terrain. Comme l’indique le rapport final du Groupe de travail Industrie 4.0, la mise en réseau rend possible « la convergence du monde physique et du monde virtuel (le cyberespace) sous la forme de systèmes cyberphysiques », ajoutant que « des réseaux de communications fiables, complets et de haute qualité sont une exigence clé du concept Industrie 4.0 ».

La connectivité sans fil à des fréquences inférieures au GHz (sub-GHz) a déjà permis aux compagnies de services publics d’automatiser les opérations de comptage et de télédétection avec, par exemple, la surveillance des structures. Souvent alimentés par batterie, les appareils sans fil utilisent des capteurs pour mesurer et quantifier le monde physique avant d’envoyer ces données à un noeud collecteur ou une passerelle et de les télécharger vers le cloud pour agrégation et traitement. Les solutions sans fil font des percées dans le domaine de l’automatisation industrielle, et les livraisons de terminaux sans fil devraient augmenter pour répondre aux attentes des secteurs du BTP, de l’agriculture et de l’environnement, ainsi que de la production et de la distribution d’énergie.

Lorsqu’ils sont amenés à concevoir des systèmes sans fil, les ingénieurs doivent tenir compte de multiples facteurs. Selon l’équation des télécommunications (également connue sous le nom d’équation de Friis), il est possible d’augmenter la portée en modifiant un certain nombre de paramètres, comme la puissance d’émission (PE) ou la sensibilité de réception, voire les deux. Toutefois, les réglementations en vigueur limitent la puissance d’émission maximale, et l’utilisation de composants tels que des antennes de forte puissance ou des amplificateurs faible bruit (LNA) externes peut augmenter le coût d’un système de façon significative. Par conséquent, au moment de choisir un récepteur sans fil, la sensibilité de réception est la première spécification sur laquelle se penchent les ingénieurs. Mais cette sensibilité n’est que l’un des paramètres à prendre en compte.

S’agissant de la connectivité entre appareils au sein d’écosystèmes industriels, il est essentiel de pouvoir compter sur des connexions radio de haute fiabilité. Le maintien de communications stables dans des environnements RF de plus en plus hostiles relève parfois de la gageure, notamment dans la sphère industrielle. La bande de fréquences ISM (Industrie, Scientifique et Médical) sans licence est exploitée par un nombre croissant d’utilisateurs, et depuis son introduction en 1985, des centaines de millions d’appareils actifs ont été déployés. Ces radios doivent faire face à diverses sources d’interférences potentielles, qu’il s’agisse des rayonnements RF involontaires ou d’autres dispositifs RF actifs pouvant fonctionner dans la même bande, souvent en utilisant des protocoles propriétaires. Les interférences peuvent sérieusement affaiblir la portée des communications. Des réseaux à la fois plus étendus et plus denses induisent pour leur part une augmentation du nombre de noeuds émetteurs rapprochés et nécessitent, par conséquent, de meilleures performances en réception. La résilience aux sources de perturbations est vivement souhaitée, car elle permet de réduire le nombre requis de noeuds répéteurs et d’activer davantage de terminaux par passerelle. Résultat, une couverture réseau plus robuste avec moins de « points noirs ». Avec des connexions radio fiables, les paquets perdus sont moins nombreux, ce qui réduit le nombre de paquets retransmis et rend le système globalement plus efficace.

Pour comprendre les performances d’un récepteur, il convient de consulter sa fiche technique et d’examiner les valeurs de sélectivité et de blocage. La sélectivité RF d’un récepteur radio correspond à sa capacité à distinguer le signal désiré des sources de signaux indésirables émettant sur d’autres canaux. La réjection des canaux adjacents (ACR) définit la capacité d’un récepteur à recevoir un « signal utile » dans un canal lorsqu’un signal parasite est actif dans un canal inférieur ou supérieur. Le canal « alternatif » est éloigné d’un canal par rapport au canal adjacent. Plus la réjection est importante, meilleures seront les performances du récepteur en présence d’interférences. Le « blocage » se réfère à des sources d’interférences plus éloignées, hors de la bande du récepteur. Même à plusieurs MHz de distance, des brouilleurs de forte puissance peuvent dégrader les communications et provoquer la perte de paquets.

La réduction du bruit de phase dans le système RF permet d’obtenir de bonnes valeurs de blocage et de sélectivité. Le bruit de phase, c’est-à-dire le bruit introduit par les fluctuations de phase d’un signal à court terme, peut être considéré comme des bandes latérales qui s’étalent entre le signal utile dans le domaine fréquentiel. Le bruit de phase est généralement mesuré par rapport à la porteuse, en dBc/Hz, ce qui correspond à la puissance du bruit dans une bande de 1 Hz à une valeur de décalage spécifiée par rapport à la porteuse. Ce bruit entraîne une dégradation des performances du récepteur en affectant le mélange mutuel (voir la figure ci-dessous) et en élevant le seuil de bruit. Dans un récepteur, lorsque le signal utile est abaissé à la fréquence intermédiaire utilisée pour le traitement du signal, une partie (tail) du signal parasite peut être mélangée, sans qu’elle puisse ensuite être filtrée et supprimée.

La linéarité en front-end d’un récepteur a des répercussions sur la résilience aux sources d’interférence de forte puissance situées à proximité. Pour les réseaux radio fonctionnant à une fréquence inférieure à 1 GHz, une telle interférence peut être liée aux réseaux LTE (4G). Pour mesurer la linéarité en réception, nous nous intéressons au point d’interception du troisième ordre en entrée (IIP3) que l’on obtient en insérant deux tonalités dans la chaîne de réception et en mesurant le produit d’intermodulation du troisième ordre qui apparaît à trois fois l’espacement de fréquence des tonalités d’entrée. Le circuit ADF7030-1 d’Analog Devices a été conçu pour répondre aux exigences de fiabilité de la connectivité.

Cet émetteur-récepteur radio sub-GHz entièrement intégré convient aux applications qui opèrent dans les bandes de fréquence ISM, SRD (courte portée) et sous licence comprises entre 169,4 MHz et 169,6 MHz, 426 MHz et 470 MHz, et 863 MHz et 960 MHz. Il est compatible avec les protocoles basés sur des normes telles que l’IEEE802.15.4g, tout en offrant la flexibilité nécessaire pour prendre en charge un large éventail de protocoles propriétaires. Hautement configurable, le récepteur basse fréquence intermédiaire (IF) fonctionne dans une large plage de bandes passantes en réception entre 2,6 kHz et 738 kHz. Cette gamme de bandes passantes en réception permet à l’ADF7030-1 de prendre en charge l’espacement des canaux dans les bandes ultraétroites, étroites et larges. Il est conçu pour fournir les meilleures performances de blocage de sa catégorie et affiche une excellente sensibilité.

Le circuit frontal analogique de hautes performances (AFE) dont dispose l’ADF7030-1 utilise des convertisseurs analogique/numérique à large plage dynamique, un filtre antirepliement analogique complexe avec correction d’erreur en quadrature (QEC) et un filtrage des canaux numériques pour éliminer les signaux indésirables dans la chaîne de réception. Grâce à l’utilisation de ces techniques, l’émetteur-récepteur ADF7030-1 est capable d’atteindre un niveau de blocage de 102 dB à une fréquence d’offset de ±20 MHz et une réjection des canaux adjacents pouvant atteindre 66 dB.

Pour maintenir un haut niveau de performances en réception dans toutes les largeurs de bande et bandes de fréquences prises en charge, l’ADF7030-1 utilise une architecture de réception à très basse fréquence intermédiaire VLIF (Very Low Intermediate Frequency) reconfigurable avec des trajets LO bibandes, ce qui permet d’utiliser l’ADF7030-1 dans un large éventail d’applications.

L’ADF7030-1 affiche les meilleures performances en réjection de sa catégorie avec une valeur d’interception du troisième ordre en entrée (IIP3) de -8,5 dBm au niveau maximum de gain en réception. Les utilisateurs ont ainsi la certitude d’être en conformité vis-à-vis des exigences réglementaires sans recourir à l’utilisation d’onéreux composants externes comme les filtres à ondes de surface SAW (Surface Acoustic Wave). Parmi ces normes, citions la classe 1 de l’ETSI (European Telecommunications Standards Institute) avec un espacement entre canaux de 25 kHz, ce qui nécessite une réjection des canaux adjacents de 60 dB et une sélectivité de 84 dB. L’ADF7030-1 dépasse ces exigences avec une marge confortable.

Conclusion

Le concept Industrie 4.0 met les ingénieurs au défi de développer des initiatives et des solutions performantes pour la nouvelle génération d’appareils connectés et intelligents. Analog Devices conçoit depuis plus de 50 ans des solutions fiables pour connecter le monde physique au monde numérique et se positionne à la pointe de l’industrie pour gérer les effets environnementaux réels sur les systèmes de communications. La robustesse et la fiabilité des communications sont deux paramètres clés dans le déploiement du monde connecté au bénéfice de l’Internet des Objets et des Services incarné par le concept Industrie 4.0.

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