Analyse approfondie du module UWB650 (Partie 1) : Introduction à la technologie UWB et au module UWB650

Ce chapitre vise à poser les bases théoriques d'une compréhension approfondie des fonctions et des performances du module UWB650. Il débutera par les principes fondamentaux de la technologie ultra-large bande (UWB) et se concentrera progressivement sur la mise en œuvre matérielle spécifique du module UWB650, fournissant aux ingénieurs les connaissances de base et les spécifications techniques nécessaires à une évaluation préliminaire.

1.1 Avantages de l'UWB : télémétrie précise basée sur la norme IEEE 802.15.4-2020

L'UWB (Ultra-Wideband) est une technologie radio basée sur les normes IEEE 802.15.4a/z. Elle se caractérise par l'utilisation d'une très large bande passante (généralement supérieure à 500 MHz) pour transmettre des impulsions extrêmement courtes, de l'ordre de la nanoseconde. Cette caractéristique de la couche physique constitue la différence fondamentale entre l'UWB et les technologies de communication à bande étroite traditionnelles comme le Bluetooth et le Wi-Fi, et confère à l'UWB un avantage de précision inégalé en matière de télémétrie et de positionnement.

La technologie UWB calcule principalement la distance en mesurant le temps de vol (ToF). Le principe consiste à mesurer avec précision le temps de propagation d'un signal radio entre deux appareils, puis à le multiplier par la vitesse de la lumière pour obtenir la distance physique qui les sépare. Cette méthode contraste fortement avec les technologies qui s'appuient sur l'indicateur de puissance du signal reçu (RSSI). L'indicateur RSSI estime la distance en fonction de l'atténuation du signal, très sensible aux interférences dues aux obstacles, aux trajets multiples et à d'autres facteurs environnementaux, ce qui réduit la précision. Le ToF, quant à lui, mesure directement le temps et est insensible aux variations de puissance du signal, ce qui lui confère une robustesse et une précision supérieures dans les environnements intérieurs complexes ou les trajets multiples.

Le module UWB650 est conforme à la norme IEEE 802.15.4-2020, qui intègre les spécifications de la couche physique 802.15.4a et l'amendement 802.15.4z visant à renforcer la sécurité. Cette conformité garantit que le module exploite les dernières technologies de télémétrie sécurisée et offre la possibilité d'interopérabilité avec d'autres appareils conformes aux spécifications du consortium FiRa.

1.2 Architecture matérielle : une plongée en profondeur dans l'UWB650 basé sur Qorvo DW3000

Le cœur matériel du module UWB650 est la puce UWB série DW3000 de Qorvo (plus précisément, le circuit intégré DW3210 intégré au module DWM3000). Entièrement conforme à la norme IEEE 802.15.4z, ce chipset prend en charge les canaux UWB 5 (fréquence centrale 6,5 GHz) et 9 (fréquence centrale 8 GHz) et offre deux débits de données hertziens : 850 kbit/s et 6,8 Mbit/s. La version actuelle du micrologiciel du module UWB650 est destinée aux applications utilisant le canal 5 (6 489,6 MHz).

Le module est conçu comme une solution hautement intégrée. Son schéma fonctionnel interne montre qu'outre la puce DW3000, il intègre également un microcontrôleur (MCU), un amplificateur de puissance RF haute performance (PA), une antenne et des circuits de protection contre les décharges électrostatiques (DES).

Cette architecture de conception de type « système sur module » (SoM) est significative. Elle signifie que l'intégralité de la pile de protocoles UWB, y compris le contrôle complexe des impulsions de la couche physique et la gestion du timing de la couche MAC (comme DS-TWR), est gérée par le microcontrôleur embarqué. Le système hôte externe n'a besoin que d'un simple jeu de commandes AT série pour invoquer des fonctions avancées telles que la télémétrie, le positionnement et la transmission de données. Cela réduit considérablement les contraintes de développement, permettant aux ingénieurs sans connaissance approfondie de la pile de protocoles UWB d'intégrer et d'appliquer rapidement la technologie.

Le module se connecte à des systèmes externes via des interfaces à broches, avec des définitions de broches claires qui facilitent l'intégration matérielle.

Les broches clés comprennent :

• Alimentation : VCC (3,0-5,5 V) et GND.

• Communication série : RXD et TXD, utilisés pour l'interaction des commandes et des données avec le MCU hôte.

• Contrôle du matériel : RESET (réinitialisation de bas niveau), DEFAULT (maintien long de bas niveau pour restaurer les paramètres d'usine), CS (bas niveau pour entrer en mode veille) et UPGRADE (bas niveau pour entrer en mode de mise à niveau du micrologiciel).

• Indicateurs d'état : TXOK (élevé pendant la transmission de données), RXOK (élevé pendant la réception de données) et P011 (élevé pendant la télémétrie/le positionnement), qui fournissent un support au niveau matériel pour la surveillance de l'état en temps réel.

1.3 Spécifications de performance clés et paramètres de fonctionnement

Les paramètres de performance du module UWB650 déterminent son adéquation à des applications spécifiques. Des informations détaillées sur ces paramètres sont essentielles pour la budgétisation et la gestion de la consommation d'énergie, ainsi que pour l'évaluation des performances dès les premières étapes de la conception du système.

La puissance d'émission élevée du module, jusqu'à 27,7 dBm (~0,5 W), est essentielle à sa capacité à communiquer sur des distances supérieures à 1 kilomètre. Cependant, cette fonctionnalité a des effets différents selon les scénarios d'application. Dans les environnements ouverts nécessitant une communication longue portée, une puissance élevée constitue un avantage considérable. En revanche, dans les applications de positionnement à courte portée (par exemple, à moins d'un mètre) qui requièrent une précision centimétrique, une puissance excessive peut exacerber les réflexions du signal, créant des effets multitrajets plus importants susceptibles d'entraîner une dérive des données de télémétrie et de réduire la précision. La FAQ du module indique clairement qu'en cas d'utilisation à courte portée, il est recommandé de réduire la puissance d'émission de manière appropriée via la commande UWBRFAT+POWER afin d'atténuer les effets multitrajets. Cela révèle un compromis critique en termes de performances : les concepteurs de systèmes doivent faire des choix et des ajustements dynamiques entre la distance de communication et la précision en champ proche en fonction des besoins spécifiques de l'application.

Tableau des paramètres de performance de l'UWB650

Le tableau suivant regroupe les principaux paramètres de performances électriques et RF du module UWB650, fournissant une référence rapide pour l'évaluation et la conception du matériel.

Le module utilise un format de trame de données conforme à la norme IEEE 802.15.4-2020 pour la communication sans fil. Ce format comprend des champs tels que le contrôle de trame, le numéro de séquence, l'identifiant PAN, l'adresse de destination, l'adresse source, les données utiles de trame et la séquence de contrôle de trame (FCS). Pour les développeurs de la couche application, la section « Charge utile de trame » est au cœur de l'attention. Les données entrantes via le port série sont encapsulées dans cette section pour la transmission, tandis que pour les données reçues sans fil, le module ne transmet que le contenu des données utiles de trame via le port série. Les autres champs de protocole sont gérés automatiquement par le micrologiciel du module et ne peuvent pas être modifiés par l'utilisateur.

Analyse approfondie de la série de modules UWB650

• Analyse approfondie du module UWB650 (Partie 1) : Introduction à la technologie UWB et au module UWB650

• Analyse approfondie du module UWB650 (partie 2) : Maîtriser les fonctions principales : configuration et utilisation

• Analyse approfondie du module UWB650 (partie 3) : fonctions avancées et maintenance du système

• Analyse approfondie du module UWB650 (Partie 4) : Calibrage du retard d'antenne, considérations et meilleures pratiques pour le déploiement du module

• Analyse approfondie du module UWB650 (partie 5) : commandes de configuration