[APPLICATION PANASONIC] De nombreuses nouvelles techniques ont été introduites dans les normes Wi-Fi 6, Wi-Fi 6E et Wi-Fi 7, qui seront bientôt ratifiées, afin d'améliorer les performances, tant au niveau des appareils que des réseaux. La conception d'un module Wi-Fi utilisant un SoC sans fil basé sur les nouvelles normes Wi-Fi peut être complexe et coûteuse. Le choix d'un module pré-certifié est donc le moyen le plus simple de mettre rapidement un produit sur le marché, comme l’explique ici Panasonic.
Auteur : Chetan Joshi
Chef de produit,
Panasonic Industry Europe
Lors de la conception d'un circuit imprimé contenant une puce-système ( SoC, System On Chip) radio de petite taille et de haute performance, chaque détail est important, de l'intégrité du signal sur un bus numérique haut-débit transportant le signal vers l’émetteur-récepteur jusqu’à l'adaptation d'impédance entre la broche de sortie RF et l'antenne. Il faut pour cela une expertise RF spécialisée afin d’identifier les problèmes à un stade précoce du développement et éviter les difficultés ultérieures.
De plus, travailler sur le Wi-Fi implique d’avoir à dsipositon des équipements de test souvent coûteux. En revanche, la conception de cette partie radio a déjà été optimisée dans un module Wi-Fi ce qui permet de réaliser des économies substantielles. Eviter une certification est coûteuse Les produits livrés avec un émetteur radio doivent fonctionner en harmonie avec les autres appareils dans un environnement partagé. Cette harmonie est obtenue par la voie de la certification de ces produits après des tests rigoureux de la radio conformément aux réglementations locales en vigueur. Bien entendu, cela s'applique également aux produits contenant un émetteur-récepteur Wi-Fi.
En fait, les coûts d'une certification complète ont tendance à être plus élevés pour le Wi-Fi, compte tenu de la nature de la technologie. Un produit Wi-Fi doit en effet avoir un comportement radio optimal lorsqu'il est placé à côté d'autres produits dans le même réseau Wi-Fi ou dans des réseaux Wi-Fi différents mais colocalisés. De plus, un produit Wi-Fi doit disposer de la garantie qu’il n'interfère pas avec d'autres technologies de bande ISM (industriel, scientifique et médical) telles que Bluetooth, Zigbee, Thread ou d'autres technologies propriétaires.
Au-delà, un appareil Wi-Fi mal conçu est susceptible de perturber ou d'être perturbé par les radios cellulaires LTE ou les radars fonctionnant dans les bandes 5 GHz destinées à des applications civiles ou militaires. Une situation encore aggravée par le désaccord mondial sur l'utilisation de la bande 6 GHz dans le contexte des technologies de bande ISM telles que le Wi-Fi et le Bluetooth.
Par exemple, alors que les États-Unis ont autorisé l'utilisation de l'ensemble de la bande passante de 1 200 MHz pour les applications ISM, l'Union européenne n'a ouvert que 480 MHz dans la bande inférieure de 6 GHz. De fait, la "navigation" à travers les obstacles réglementaires mondiaux finit par être le coût caché le plus important dans la conception du matériel. Pour contourner l’obstacle, travailler avec des laboratoires agréés pour passer les tests réglementaires est une solution, mais qui elle présente aussi un effort supplémentaire à gérer.
Dans ce cadre, l'utilisation de modules sans fil pré-certifiés élimine une grande partie de ces difficultés. Les concepteurs de systèmes réutilisent simplement les certificats de conformité délivrée au fabricant de modules pour intégrer en toute sécurité la fonction Wi-Fi.
Comment choisir le bon module Wi-Fi
Le choix du module Wi-Fi est guidé par l’analyse de plusieurs facteurs très différents les uns des autres.
Architecture. Un module peut avoir un processeur d'application ouvert pour héberger la couche réseau, ainsi qu’un logiciel intégré, le tout fonctionnant dans le contexte d’un système d’exploitation temp réel contraint. Ou bine, le module peut agir comme un coprocesseur-réseau (NCP, Networdk Co Processor) qui gère la communication Wi-Fi mais nécessite dans ce cas un processeur hôte pour la gestion du réseau qui a besoin le plus souvent un système d'exploitation complet - Windows ou Linux. Cependant, de plus en plus, les fournisseurs d'appareils sont également capables d'interfacer le NCP avec une couche TCP/IP fonctionnant sur une forme d'OS temps réel (par exemple FreeRTOS/Zephyr) sur un microcontrôleur avec des moyens limités.
Radio Multiprotocoles. Un projet peut nécessiter un assortiment d'options de connectivité et, selon l’application, on peut choisir entre un module monoprotocole (i.e. Wi-Fi uniquement), et une solution multi protocole prenant en charge la connectivité Bluetooth et des réseaux maillés fondés sur la norme IEEE 802.15.4. Pour un petit supplément, la solution multi protocole offre une intégration étroite et une meilleure gestion de la coexistence par rapport à une solution multi-SoC/module discrète., comme sur le module PAN9019 de Panasonic
Le module PAN9019 (15.3 × 12 × 2.5 mm) est un module radio certifié contenant des sous-systèmes WiFi 6 et Bluetooth 5.4 bi-bande gérés par un SoC de chez NXP , et capable de travailler dans la plage de température - 40°C à + 85 °C.
Interfaces de communication. Chaque appareil et application a ses propres capacités et exigences en matière de connexion radio. Ainsi, alors qu'un appareil doit transmettre plusieurs gigabits via une liaison sans fil pour diffuser une vidéo 4k, un autre appareil peut trouver quelques kilobits plus que suffisants pour transmettre des données de capteur ou pour déclencher à distance un actionneur. Les options disponibles reflètent la diversité des applications. Pour coller à cette réalité, il existe des modules sans fil qui prennent en charge des interfaces de communication haut débit telles que SDIO (Secure Digital Input Output) et PCI Express, adaptées aux applications de pompage de données à très haut débit, tandis que d'autres solutions sont optimisées pour les applications à faible puissance utilisant des interfaces telles que SPI (Serial Protocole Interface), I2C et UART pour connecter des capteurs.
Choix d'antennes. L'antenne est un élément important à prendre en compte dans la conception d'un système sans fil. Elle agit comme un transducteur qui convertit les courants et les tensions reçus de l'émetteur-récepteur en énergie électromagnétique rayonnée par le sans-fil, et vice versa. Une antenne de qualité insuffisante peut rendre un produit totalement inutilisable. C'est pourquoi le choix de l'antenne est souvent dicté par la conception du produit final. Alors que certains concepteurs préfèrent des antennes compactes intégrées au circuit imprimé, d'autres utilisent des antennes externes montées sur des bornes pour améliorer la couverture. Il ne faut pas oublier que l'antenne fait partie intégrante de la configuration du radiateur et qu'elle est donc explicitement liée à la certification réglementaire du module sans fil.
A ce niveau une petit leçon s’impose : lisez les petits caractères lorsque vous choisissez une antenne ! Les modules peuvent donc être livrés avec une antenne intégrée ou avec une référence certifiée qui permet aux utilisateurs de copier la conception exacte et de réutiliser la certification accordée. L'objectif final est toujours d'obtenir une couverture radio optimale pour une conception donnée, ce qui peut nécessiter une modification des antennes et de la certification associée.
Qu’attendre des fournisseurs de modules Wi-Fi
Dans l'IoT, la mise en œuvre du Wi-Fi est souvent essentielle. Par conséquent, un fournisseur de modules doit fournir certaines valeurs fondamentales.
Assistance à la conception d’un appareil. Les conceptions RF peuvent souvent réserver de mauvaises surprises, au moment où on s'y attend le moins. C'est à ce stade que l'assistance d'ingénieurs ayant une expérience précieuse dans la conception de modules Wi-Fi est cruciale pour réaliser un cycle de conception rapide. Un fournisseur de modules peut à ce niveau apporter son aide de différentes manières. Soit en examinant la disposition des circuits imprimés, soit en adaptant l'impédance d'entrée de l'antenne, soit encore en recommandant le placement du module ou de l'antenne pour une meilleure couverture, etc.
Ajout de nouveaux domaines réglementaires et d’antennes. Comme mentionné précédemment, la facilité d'obtention de la certification réglementaire de la fonctionnalité radio est l'un des principaux avantages de l'utilisation des modules Wi-Fi. Par conséquent, les fournisseurs doivent disposer d'une stratégie réglementaire globale pour garantir la flexibilité de la conception, y compris de multiples domaines pour couvrir davantage de marchés et de multiples types d'antennes. Dans certains cas, une antenne certifiée sur le module peut s'avérer inadaptée aux performances radio requises, nécessitant une antenne différente de celle qui a été certifiée.
Dans d'autres cas, un produit peut cibler un nouveau marché pour lequel le fournisseur de modules ne détient pas de la certification et/ou de rapports de test. Dans de telles situations, l'assistance d'un fournisseur de modules est nécessaire pour ajouter un nouveau domaine réglementaire à la liste des certifications préexistantes, ou pour certifier un type d'antenne complètement nouveau. Les fournisseurs de modules peuvent aussi apporter leur aide en testant les nouvelles réglementations et en émettant un avis de modification autorisé pour la certification initiale accordée.
Dépannage logiciel. L'intégration du pilote Wi-Fi sur une plateforme embarquée est l'un des sujets les plus importants tout au long du cycle de vie logiciel du projet. Prenons l'exemple d'un NCP pour un appareil embarqué fondé sur Linux. Il est courant pour les fournisseurs de semi-conducteurs de publier des versions périodiques de drivers testés par rapport à la dernière version stable du noyau Linux. De plus, les drivers radios doivent être corrigés vis-à-vis des vulnérabilités de sécurité. La mise à niveau vers une nouvelle version, en particulier dans le cas d'appareils radio avec des drivers hors l’arborescence Linux, peut parfois entraîner un comportement inattendu du produit.
C'est là que le soutien d'un fournisseur de modules, soit par la communication sur la découverte d'une vulnérabilité et la disponibilité de correctifs de sécurité, soit par un dépannage actif et une analyse des causes profondes de l'erreur lors de l'intégration du pilote, peut grandement contribuer à faciliter la gestion du projet. Il en va de même pour un module sans fil conçu autour d'un microcontrôleur sans fil intégré.
Assurer un soutien complet de la chaîne d’approvisionnement. Une mauvaise vérification de la chaîne d'approvisionnement peut ruiner une conception d’une carte électronique par ailleurs exceptionnelle. L'absence d'un composant même petit et apparemment sans importance, comme une résistance, peut retarder la production. A ce niveau, cependant, un module radio certifié est l'un des composants les plus critiques car il est intrinsèquement associé aux déclarations de produit final faites par le fabricant aux organismes de réglementation. Par conséquent, il peut s'avérer impossible de reconcevoir le produit, ce qui serait très coûteux. C'est là que le soutien d'un fournisseur de modules compétent et engagé apporte une valeur tangible.
Les sujets peuvent inclure le conseil technologique pour comprendre la meilleure conception de la plate-forme; la gestion du cycle de vie du produit; et la prévision de la production. Des audits d'usine peuvent aussi être nécessaires pour assurer la transparence de la chaîne d'approvisionnement.
Panasonic Industry Europe s’inscrit dans ce paysage des fournisseurs de solutions de connectivité sans fil à courte portée, avec un portefeuille comprenant le Wi-Fi, le Bluetooth et d'autres technologies de réseau. Ses modules sans fil et ses cartes réseau sont certifiés radio pour de multiples domaines réglementaires, notamment aux États-Unis, en Europe, au Canada, au Japon et dans d'autres pays d'Asie-Pacifique.
En outre, ces certifications réglementaires englobent différents types d’antennes, avec des antennes de référence certifiées par plusieurs fournisseurs . L'entreprise permet en outre la réalisation de projets IoT grâce à un écosystème de partenaires qui s'occupent des antennes, des micrologiciels embarqués et des piles sans fil propriétaires.
Enfin, en vue de mieux comprendre les évolutions actuels du Wi-Fi, le guide complet "Démystifier le Wi-Fi 6/6E/7" sur ces technologies est disponible gratuitement en téléchargement.
