Solutions de test automobile de Rohde & Schwarz

Voitures connectées : mesurer et gérer la coexistence des signaux RF dans l’habitacle



De plus en plus de voitures embarquent aujourd’hui des systèmes d’information et de divertissement permettant aux occupants de communiquer avec le monde extérieur. La bonne réception des signaux dans les véhicules est assurée pars un nombre toujours plus important d’antennes de transmission et de réception d’une variété de systèmes radio situées à très grande proximité les unes des autres. Les perturbations radio mutuelles sont cependant un risque inhérent à cette coexistence dans le véhicule de différents types de signaux radio. Il faut s’en affranchir durant la phase de développement.


Par Christoph Wagner de Rohde&Schwarz

Selon une étude réalisée par Accenture, plus de 48% des acheteurs de voitures sont aujourd’hui davantage intéressés par les options électroniques telles que la direction assistée ou les systèmes d’information et de divertissement que par les performances de conduite du véhicule. Les constructeurs traditionnels sont présents de longue date dans la Silicon Valley en Californie afin de favoriser l’adoption des technologies intelligentes de mobilité connectée avec pour objectif d’inciter en particulier les jeunes acheteurs à l’acquisition d’une automobile. La fusion de l’automobile et des technologies modernes d’information pour donner naissance au véhicule intelligent n’est plus une vision futuriste. C’est devenu une réalité sur nos routes.

Une importante fonction d’une voiture intelligente est sa capacité à connecter sans fil les smartphones au système d’information et de divertissement en utilisant des technologies sans fil non cellulaires telles que WLAN ou Bluetooth®. Cette connexion est exploitée pour synchroniser les données du téléphone mobile (contacts et morceaux de musique notamment) avec l’unité embarquée afin que les passagers puissent en disposer pendant leur déplacement. Les constructeurs automobiles intègrent des points d’accès WLAN pour connecter les smartphones et les tablettes à Internet. Les standards de communication cellulaire tels que WCDMA et LTE peuvent être employés pour se connecter au réseau radio mobile. Le standard Bluetooth® opère sur la bande de fréquences ISM gratuite de 2,402 GHz à 2,480 GHz. Concernant le standard WLAN, des fréquences propres à chaque pays sont disponibles dans les bandes de 2,4 GHz et 5 GHz. L’utilisation de multiple standards de communication sans fil tels que LTE, WLAN et Bluetooth® conduit au phénomène de coexistence des signaux radios. Des fuites entre canaux adjacents peuvent entraîner des problèmes de qualité, la baisse de cadences de transfert des données voire même une défaillance totale.

Des systèmes radio dans un espace très restreint

La présence simultanée de divers systèmes de radio est un problème de longue date qui est régulé par le biais de plans d’attribution internationale de fréquences et de spécifications techniques. Ce qui est désormais nouveau, c’est que ces systèmes doivent maintenant émettre et transmettre à très grande proximité. Les principaux organismes de certification indépendants travaillant sur ce sujet sont le 3GPP (3rd Generation Partnership Project) pour les standards cellulaires et la Wi-Fi Alliance® pour le standard WLAN. Ces groupes spéficient, entre autres, les limites des fuites RF dans les autres bandes de fréquences, représentées par exemple par le paramètre ACLR (adjacent channel leakage power ratio). Ce paramètre définit le rapport entre la puissance transmise du signal désiré et la plus faible puissance possible s’échappant dans le canal adjacent. Le SEM (Spectrum Emission Mask) est un autre paramètre important pour la vérification des standards radio. Celui-ci exploite les caractéristiques de tolérance pour décrire le niveau de signal autorisé en fonction du temps, à la fois à l’intérieur et à l’extérieur de la bande de transmission allouée pour le standard afin de limiter les interférences avec les canaux adjacents et les autres bandes de fréquences.

L’habitacle d’une voiture constitue un véritable défi pour les développeurs à cause du nombre croissant d’antennes de réception et de transmission qui cohabitent à très grande proximité dans un espace quasiment blindé. Il faut, de plus, prendre en considération les réflexions associées. L’émission d’un signal affectera toujours davantage les autres systèmes qu’en espace libre ou dans une aire plus importante. Cela pose particulièrement problème car les standards de communication non cellulaire considérés opèrent dans des bandes de fréquences très proches les unes des autres. Le standard LTE sera également dans cette situation selon la bande de fréquence qui est employée. Par exemple, la bande 40 LTE TDD (Time Division Duplex) se situe à seulement 1MHz en dessous et la liaison montante de la bande 7 LTE FDD (Frequency Division Duplex) se trouve à seulement 17 MHz au dessus de la bande des 2,4GHz du WLAN (Fig. 1).

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Fig. 1: La bande de fréquences ISM libre de droit est exploitée par les standards WLAN et Bluetooth® ainsi que par d’autres services radio. La partie inférieure est très proche de la bande 40 LTE et la partie supérieure est voisine de la bande 7 LTE.

 

Résultat, les signaux émis peuvent interférer avec les récepteurs adjacents et les gêner au point de ne plus pouvoir capter le signal désiré. L’utilisation de divers bandes de fréquences LTE varie selon les pays et les opérateurs, et comme il est impossible de prévoir quand et où circulera un véhicule dans une zone servie par une fréquence différente, les développeurs doivent prendre en compte tous les scénarios possibles pour prévenir tout dysfonctionnement en cas d’interférences. Et la liste des interférents potentiels ne fait que s’allonger avec les systèmes de navigation par satellite (GNSS) tels que GPS, Glonass et Galileo embarqués dans les véhicules et qui peuvent perturber les bandes LTE 7, 13 et 14.

Dividende numérique

Pour répondre à la demande de fréquences supplémentaires pour l’accès Internet mobile, l’ITU (International Telecommunication Union) a libéré en 2009 la bande des 800 MHz pour les applications radio mobiles, suivie cette année par la bande des 700 MHz (dividende numérique 2) qui était auparavant exclusivement réservée à la télédiffusion. Ce qui signifie que les systèmes radio et de divertissement automobiles qui reçoivent des signaux de télévision terrestres peuvent être perturbés par les signaux radio mobile. Il est donc essentiel que les développeurs prennent en compte tous les signaux de télédiffusion dans l’ensemble de leurs scénarios de test.

Il y existe plusieurs approches possibles pour améliorer la réception des signaux dans les automobiles. L’impossibilité d’éloigner physiquement le transmetteur du récepteur, c’est à dire en découplant les antennes, du fait du manque d’espace est la principale source du problème. Les méthodes de blindage RF traditionnelles ne sont également pas suffisantes pour résoudre ce problème. D’un autre côté, il est possible d’employer des filtres passe bande additionnels sur les antennes de transmission WLAN et Bluetooth® afin de diminuer les fuites RF dans les bandes LTE à risque. Les puissances de transmission de chaque application peuvent être réduites en raison de l’espace limité, réduisant ainsi également les potentielles émissions indésirables. Dans le cas des standards non cellulaires, cela peut être implémenté au cas par cas. Cela n’est cependant pas possible pour les standards cellulaires puisque la puissance d’émission est commandée par la station de base.

La principale différence entre WLAN et Bluetooth®, outre leur bande de fréquences différente, est que WLAN opère à des fréquences fixes alors que Bluetooth® met en oeuvre la technologie de saut de fréquences. Le signal Bluetooth® commute aléatoirement entre 40 canaux possibles dans une bande de 2 MHz (BT4.0) jusqu’à 1600 fois par seconde. Ce qui évite le signal d’affecter de manière permanente un signal WLAN de fréquence fixe dans la bande de 2,4 GHz. La qualité de réception dans le véhicule peut encore être amélioré aussi bien dans le domaine fréquentiel que temporel. Les circuits de traitement hautement intégrés que l’on trouve dans les systèmes d’informations et de divertissement d’aujourd’hui prennent en charge les différents standards. Les fréquences mises en oeuvre dans les diverses applications sont déjà enregistrées dans la bande de base de cette puce électronique. Ce qui signifie qu’une “liste noire” peut être établie pour les sauts de fréquences d’un signal Bluetooth®, reprenant les canaux qui pourraient être perturbés par un signal LTE et qui doivent donc être évités. Ce procédé est connu sous le nom saut de fréquence adaptatif.

Pour prévenir la perturbation des signaux de géolocalisation (GNSS) par le LTE, il est logique de recourir à la détection précoce des transmissions de données dans le domaine temporel. Si une puce LTE sait notamment qu’un paquet GNSS d’une longueur de 20 ms va être transmis, la puce peut interrompre son activité pendant par exemple 15 ms afin de ne pas perturber l’ensemble de la transmission. Cette interruption doit assez brève pour ne pas être perçue par l’abonné.

La qualité des signaux des systèmes audio et vidéo dans les voitures peut être améliorée en utilisant un mode de réception flexible. Le signal est reçu et validé par jusqu’à trois tuners RF. Seul le meilleur des trois signaux sera traité. Une antenne supplémentaire (principe 3+1) est employée pour surveiller le spectre de fréquences. Cette antenne collecte des informations sur les interférences potentielles ainsi que l’amélioration de la réception sur d’autres fréquences, afin que les autres récepteurs puissent changer de fréquence si nécessaire.

Détection ininterrompue de signaux indésirables

Un analyseur de spectre peut être utilisé pour capturer et afficher les caractéristiques des signaux indésirables dans le domaine fréquentiel. Cette information peut être exploitée pour déterminer l’origine et le type de signal indésirable. En pratique, ces signaux peuvent être de très brève durée tout en entraînant les mêmes effets. C’est pour cela qu’un analyseur de spectres temps réel est le plus souvent employé. Des instruments tels que le R&S®FSW de Rohde & Schwarz, avec l’option temps réel R&S®FSW-K160RE, effectue continuellement des mesures en temps-réel, capturant ainsi tous événements aussi brefs soient-ils pour les analyser. Le mode Spectrogramme convient spécialement à la vérification des sauts de fréquences des signaux Bluetooth® (Fig. 2), puisqu’il dévoile comment le spectre du signal fluctue dans le temps. Cela fournit un bon aperçu du comportement du signal et permet une validation même pour une brève altération du signal. Seulement des tests supplémentaires peuvent déterminer dans quelle mesure chacun des systèmes radio est perturbé.

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Fig. 2: En mode spectrogramme, les sauts de fréquence individuels d’un signal Bluetooth® peuvent être facilement visualisés et suivis.

 

Évaluations de la sensibilité du récepteur

Les mesures de coexistence de signaux sont réalisées pour déterminer le degré de désensibilisation, c’est à dire la baisse de sensibilité du récepteur due à une forte fuite RF dans un canal adjacent. Un important critère de validation pour déterminer la sensibilité d’un récepteur est le taux d’erreur de bit (BER). L’équipement sous test reçoit un certain nombre de bits dans une trame de temps déterminée qui est alors comparé au signal de référence. Pour les standards WLAN et Bluetooth®, on parle de taux d’erreur de paquets (PER) et de taux d’erreur de bloc (BLER) pour le LTE. Avec cette mesure, on pourra constater que le taux d’erreur augmente en dessous d’un certain niveau de réception (Fig. 3, courbe bleue). Si un autre signal non désirable est capté par le récepteur, la courbe se déplace doucement vers la gauche (Fig. 3, courbe rouge). La sensibilité du récepteur diminue énormément.

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Fig. 3: La courbe bleue montre une progression typique du PER pour un signal WLAN sans interférence. Au fur et à mesure que le niveau de réception diminue, le taux d’erreurs augmente. Cet effet est plus précoce lors de la présence d’interférences (courbe rouge), et la sensibilité du récepteur baisse significativement – phénomène dit de désensibilisation.

 

Les testeurs de communication radio multi-standard sont particulièrement adaptés pour les mesures de coexistence. Avec le R&S®CMW500 qui offre une grande souplesse de configuration, Rohde & Schwarz propose une plate-forme de test qui peut traiter simultanément tous les plus importants standards de communication sans fil cellulaires et non cellulaires pour de multiples systèmes radio. Les signaux désirés et indésirables peuvent ainsi être générés avec un seul instrument. Pour réaliser une simulation réaliste de la propagation des signaux dans l’habitacle du véhicule ainsi que toutes interférences réciproques, le test doit toujours mettre en oeuvre une connexion d’interface air plutôt que l’implémentation plus aisée d’une connexion câblée. Pour ce faire, une chambre de test compacte peut être utilisée pour des petites installations. Le R&S®CMW500 intègre divers connecteurs RF pour prendre en charge les différents chemins de transmission et de réception des signaux, éliminant le recours à une matrice de commutation pour les scénarios de test les plus simples.

Une autre plate-forme multistandard est recommandée pour simuler la réception de divers signaux de télédiffusion. Le système de test de télédiffusion R&S®BTC utilise deux chemins de signaux temps réel indépendant et jusqu’à huit générateurs de signaux arbitraires pour délivrer l’ensemble des signaux RF exigés par les standards internationaux TV et de télédiffusion, y compris les signaux d’interférences appropriés (Fig. 4). Les développeurs ont donc accès aux signaux des réseaux publiques locaux ainsi qu’à ceux d’autres pays comme l’exige un scénario de validation globale.

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Fig. 4: Le R&S®BTC peut être utilisé pour une variété de scénarios de réception complexes pour les signaux de télédiffusion. La fréquence et le niveau de signaux désirés et indésirables peuvent être ajustés individuellement en temps réel.

Perspective

Les scénarios décrits n’ont pas seulement pour objectif de permettre aux passagers de téléphoner depuis la voiture ou de connecter leurs appareils portables au système d’informations et de divertissement du véhicule. Les voitures du futur disposeront d’une connexion fixe à leur environnement. Celle-ci rendra possible un accès rapide depuis le véhicule au serveur de l’entreprise ou au système d’air conditionné du domicile, ou depuis le centre de service automobile vers le véhicule pour réaliser des diagnostics à distance. Le standard WLAN 802.11p autorise l’échange d’informations entre véhicules, par exemple pour alerter d’un accident, de travaux sur la voie ou de routes verglacées. L’Europe, les Etats-Unis, la Corée du Sud et le Japon ont déjà alloué des bandes de fréquences pour ces applications. Pour optimiser davantage la réception dans les voitures, ils est prévu d’équiper les futures automobiles de leurs propres stations mobiles (Hotspots LTE). Ces hotspots, qui sont déjà employés dans les bâtiments, n’assureront pas seulement une bonne connexion entre l’antenne de la voiture et les équipements sans fil, mais permettront aussi l’ajustement individuel de la puissance de transmission pour réduire les interférences à l’intérieur du véhicule.

Auteur : Christoph Wagner dirige le développement de l’activité pour le segment de marché automobile chez Rohde & Schwarz à Munich. Il a étudié l’ingénierie des communications à l’université de sciences appliquées de Deutsche Telekom à Berlin ainsi qu’au collège universitaire d’ingénierie de Copenhague.