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Catégorie : Test & Mesure     25/11/2013

ZigBee - conformité et interopérabilité des dispositifs sans fil

Alors que le déploiement de la technologie sans fil basée sur des normes est en hausse, le maintien de la conformité et de l'interopérabilité des dispositifs n'est garanti qu'au moyen de tests de conformité et de certification.

Par Hailey Percival, Responsable marketing technique EMEA, Bench & Midrange, Tektronix

La connectivité sans fil constitue le cœur des échanges de données modernes, que ce soit entre personnes ou entre machines. Les « tendances » que sont l'Internet des objets, le Machine to Machine ou la domotique et auxquelles nous sommes confrontés aujourd'hui - à différents stades de leur évolution respective - reposent toutes sur la connectivité sans fil et, en général, une connectivité sans licence telle que Bluetooth, Wi-Fi ou ZigBee. Les fournisseurs de réseaux LTE y voient également une opportunité et collaborent avec les OEM pour créer des plates-formes qui allient avec succès réseau étendu (WAN) et réseau personnel ou à domicile (PAN / HAN) pour fournir un accès, un contrôle et un suivi transparents.

Cependant, la connectivité sans fil et sans licence n'est pas dénuée d'obligations en matière d'essais et de certification, en particulier lors de l'utilisation d'un protocole sanctionné par l'IEEE comme ceux que nous avons identifiés. Cette obligation s'étend à la conception et l'exploitation du frontal radio, ainsi qu'à l'interopérabilité de n'importe quel appareil certifié selon la norme considérée.

Interopérabilité

Les normes sont essentielles dans la création d'une dynamique de marché pour les nouvelles technologies, et la connectivité sans fil est un excellent exemple de la façon dont cela fonctionne dans la pratique. Bien qu'il puisse être possible de mettre un appareil sans fil en service sans passer par un processus de certification, la « valeur » sur le marché d'un tel dispositif se trouve en fait dans sa conformité à une norme largement adoptée. Dans ce cadre, la conformité est strictement contrôlée.

Dans le cas de ZigBee, la ZigBee Alliance gère le programme certifié ZigBee, qui est conçu comme un programme de certification de Type 1B tel que défini dans la norme ISO/IEC Guide 67 : 2004, qui comprend quatre étapes : les tests, l'évaluation, la décision d'accorder / refuser la certification et les licences (qui s'étend à l'utilisation de logos).

Il est important que les OEM apprécient la différence entre les essais et la certification. Si seule l'Alliance peut accorder la certification, de nombreuses entreprises spécialisées proposent à présent des services d'essais et une liste de prestataires de services d'essais agréés est tenue à jour sur le site de l'Alliance.

L'Alliance propose deux niveaux de conformité à la norme - ZigBee Compliant Platforms (plates-formes compatibles ZigBee) et ZigBee Certified Products (produits certifiés ZigBee) - alors que la certification Manufacturer Specific Profile (profil spécifique constructeur) est proposée pour les produits qui n'utilisent pas de profil d'application public. La Figure 1 montre comment les certifications se rattachent aux types ZigBee Alliance Stack et Application Profile.


Figure 1. Lien entre les certifications et les types ZigBee Alliance Stack et Application Profile (Source : The ZigBee Alliance)


Cependant, la conformité fondamentale à la norme ZigBee peut être évaluée par un OEM sans engager les honoraires extrêmement onéreux d'un spécialiste des tests, en utilisant des équipements de test standard et une appréciation des principales exigences de cette norme. Ce type de test de pré-conformité peut permettre aux OEM de gagner du temps et de l'argent lors de l'élaboration de dispositifs compatibles ZigBee.

Les plates-formes compatibles doivent utiliser des couches MAC et PHY qui soient conformes à la norme 802.15.4, tandis que les Produits Certifiés doivent, par nécessité, se fonder sur une Plate-forme Conforme. Aujourd'hui, de nombreux constructeurs proposent des plateformes ZigBee qui peuvent soit servir de base à une plate-forme compatible (souvent seul dispositif intégré) ou sous forme de produits certifiés clé en main (généralement sous forme de module). Le choix de la méthode à adopter peut être une décision commerciale autant que technique. Le niveau de prix des modules est généralement plus élevé que celui d'une solution intégrée, mais il est généralement plus simple (du point de vue de la certification) et donc moins coûteux en dessous d'un certain volume - potentiellement jusqu'à 25 000 unités.

Essais radio

Que la solution choisie soit modulaire ou intégrée, il peut s'avérer avantageux de valider le frontal radio du dispositif à des fins de conformité, ou de mesurer et d'optimiser ses performances.

En règle générale, si vous utilisez un frontal radio développé par un tiers, comme le MRF24L40MB de Microchip, il sera contrôlé à l'aide d'un bus série (dans ce cas, SPI). Cette approche de domaine mixte de la conception de systèmes devient de plus en plus monnaie courante, en particulier lorsque des normes telles que ZigBee sont concernées. Si son fonctionnement souhaité peut être contrôlé à l'aide de commandes SPI - pour définir les registres afin de déterminer le canal de fréquence ou les niveaux de puissance de sortie, par exemple - la mesure de la performance du frontal radio peut encore constituer une partie importante et nécessaire du processus de conception. La corrélation entre la performance attendue et réelle peut s'avérer difficile lorsque l'on travaille avec des signaux numériques et analogiques/RF, mais il s'agit exactement du type de tâche pour laquelle la gamme oscilloscopes à domaine mixte de Tektronix a été développée. La Figure 2 montre un système typique basé sur le module radio de Microchip et la carte de test Explorer 16 ZigBee, qui utilise le MDO4000 pour valider la radio. Comme le montre la Figure 3, cela permet de capturer et d'afficher simultanément le domaine temporel et le domaine de fréquence.


Figure 2. Test de connexion entre le module/la carte de test radio ZigBee et l'oscilloscope à domaine mixte de série MDO4000



Figure 3. Affichages dans le domaine temporel et le domaine de fréquence.


Cette méthode permet de mesurer la puissance de sortie HF par rapport à la puissance consommée par la source d'alimentation, tout en confirmant que la radio fonctionne selon les spécifications de puissance de sortie.

L'espacement de canal pour IEEE 802.15.4 (y compris ZigBee) est de 5MHz. La largeur de bande du canal 20dB doit être nettement inférieure à l'espacement des canaux, de sorte que la capacité de mesurer et de corréler cela par rapport à un événement déclencheur devient importante.

Etant donné que le MDO4000 acquiert également un enregistrement temporel du signal mesuré, il est possible d'effectuer une conversion descendante entre I (réel) et Q (imaginaire), afin de déterminer l'écart instantané avec la fréquence centrale, ce qui permet d'analyser l'amplitude RF en fonction du temps.

Cela simplifie également la mesure de la quantité de courant consommée lors de la transmission de paquets, ce qui permet à l'équipe d'ingénieurs de concevoir une alimentation qui réponde mieux aux besoins de la conception finale.

Besoins dans le monde réel

Cela peut aller jusqu'à mesurer la façon dont le système fonctionne lorsque l'alimentation commence à se dégrader, scénario typique d'un produit qui est alimenté sur batterie. En plaçant une faible résistance ohmique en série avec l'alimentation, pour simuler une batterie déchargée, il est possible de mesurer comment est affectée la puissance de sortie de la radio. Une baisse de seulement 250mV sur l'alimentation, par exemple, peut directement corrélée à une baisse de 1 dB du niveau de bruit du canal adjacent (ce qui peut être capturé et vérifié à l'aide de l'affichage du spectre du MDO4000).

Il est important d'apprécier les performances des émetteurs radio dans diverses conditions d'alimentation, afin de garantir que la conception continue de fonctionner conformément à la norme.

En outre, le MDO4000 est capable de décoder directement les commandes SPI, ce qui permet de définir un événement déclencheur qui détecte une commande spécifique et met en corrélation l'activité du circuit avec à la fois les commandes SPI et les événements RF. Par exemple, lorsqu'il est combiné avec une trace qui regarde l'alimentation, il devient simple de montrer comment une commande SPI fait que la radio commence à émettre et l'impact que cela a sur la puissance consommée, à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine de fréquence (Figure 4).


Figure 4. L'acquisition ultérieure déclenchée sur commande SPI montre le délai entre la commande et la mise sous tension de la radio.


Le délai présenté en Figure 4 montre que la radio ZigBee est conforme à l'une des exigences de performance de la couche PHY de la norme IEEE 802.15.4, en utilisant un délai pseudo-aléatoire entre la commande émise et la mise sous tension de la radio, qui est destiné à permettre à la radio d'écouter d'autres émetteurs radio ZigBee ou d'autres interférences radio.

Interférences extérieures

La fonction analyseur de spectre du MDO4000 permet également le balayage rapide d'une large gamme de fréquences pour détecter les signaux indésirables ou parasites. Pour la certification et la conformité de la radio, un balayage complet visant à tester la conformité de l'organisme nécessitera un analyseur de spectre de fréquence plus élevée, mais la majorité des signaux potentiellement problématiques pourront être détectés avec le MDO4000.

A l'aide d'une antenne, le MDO4000 peut évaluer le spectre local, en recherchant des sources radio qui peuvent provoquer des interférences pendant que la radio est en cours d'élaboration. Souvent, cela peut prendre la forme d'un réseau Wi-Fi local, qui couvre un certain nombre de canaux potentiellement disponibles pour un dispositif ZigBee. Si le signal est trop fort, cela peut nuire, voire bloquer totalement la radio ZigBee, bien que le protocole ZigBee tienne compte de ce scénario possible et comprenne une fonctionne de balayage pour rechercher un canal libre avant d'émettre.

L'utilisation de dispositifs compatibles ZigBee, dans le cadre de l'augmentation globale du nombre dispositifs sans fil exempts de licence, met actuellement davantage de pression sur les développeurs. Alors que de nombreux ingénieurs peuvent n'avoir qu'une connaissance de base des RF, lorsque celle-ci est combinée avec des solutions modulaires, le résultat peut produire des produits finaux extrêmement efficaces.

Cependant, il est encore nécessaire de certifier les systèmes exempts de licence et donc avant de se lancer dans les tests de conformité coûteux, il devient tout aussi important pour les équipes de conception pour pouvoir évaluer les systèmes basés sur la radiofréquence. A ce titre, l'accès à du matériel de test qui puisse combiner les domaines mixtes avec les tests basés sur des normes et le décodage de protocole peut offrir des avantages significatifs en termes de productivité. Un équipement comme l'oscilloscope à domaine mixte MDO4000 peut être utilisé pour surveiller et vérifier les systèmes RF jusqu'à 6 GHz, ainsi que quatre canaux analogiques avec une bande passante pouvant atteindre 1 GHZ et 16 canaux numériques, le tout sur un écran unique corrélé au temps.

Pour de plus amples informations, consultez la page web www.tektronix.com





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