Transceivers, récepteurs et émetteurs hautes performances pour bande ISM – Solutions Sub 1GHz, 2,4GHz et 5GHz pour applications industrielles

ISM (Industriel, Scientifique et Médical) désigne des bandes de fréquences radio initialement destinées à des applications industrielles, scientifiques et médicales, pouvant être utilisées sur une base non-licenciée. Les appareils fonctionnant dans les bandes ISM nécessitent uniquement une attribution de fréquence générale, plutôt que des licences individuelles. Certaines bandes ISM sont également largement utilisées pour la transmission audio, vidéo et de données, comme le Wi-Fi et le Bluetooth.

L’utilisation de ces bandes est régie par des attributions de fréquences générales publiées par des autorités réglementaires nationales telles que la "Bundesnetzagentur" allemande.

Les plages de fréquences suivantes sont mondialement attribuées pour une utilisation ISM:

• 6,765 MHz – 6,795 MHz
• 13,553 MHz – 13,567 MHz
• 26,957 MHz – 27,283 MHz
• 40,66 MHz – 40,70 MHz
• 433,05 MHz – 434,79 MHz
• 902 MHz – 928 MHz
• 2,4 GHz – 2,5 GHz
• 5,725 GHz – 5,875 GHz
• 24 GHz – 24,25 GHz
• 61 GHz – 61,5 GHz
• 122 GHz – 123 GHz
• 244 GHz – 246 GHz

Dans certains cas, l’utilisation de ces bandes peut encore nécessiter une autorisation des autorités régionales. En Allemagne, la gamme 9–10 kHz et la fréquence 150 MHz sont également attribuées comme bandes ISM. Les applications courantes incluent les fours à micro-ondes, le Wi-Fi, le Bluetooth, les moniteurs pour bébés, les détecteurs de mouvement radar, les interrupteurs à distance et plus encore.

SRD (Short Range Devices) se réfèrent à des applications radio à faible puissance et à portée limitée. Ces bandes de fréquences sont standardisées dans de nombreux pays et sont utilisées pour les télécommandes, capteurs et systèmes de maison intelligente. Les SRD sont des appareils radio destinés à un usage général, caractérisés par une faible puissance et une portée limitée.

Le respect des normes nationales et internationales est requis, indiqué par exemple par le marquage CE.

Les SRD fonctionnent sur une variété de fréquences selon la région et l’application.

Voici les principales plages de fréquence :

• 6,765–6,795 MHz : Force de champ magnétique maximale de 125 µA/m à 10 m.
• 13,553–13,567 MHz : 10 mW ERP.
• 26,957–27,283 MHz : 10 mW ERP.
• 40,660–40,700 MHz : 10 mW ERP.
• 149,025–149,1125 MHz : Applications comme Freenet en Allemagne.
• 169,400–169,8125 MHz : Niveaux de puissance variables (10 mW à 500 mW).
• 433,05–434,79 MHz : Anciennement LPD ; maintenant SRD avec restrictions en Europe.
• 446,0–446,2 MHz : Radio PMR (Personal Mobile Radio) avec canaux analogiques et numériques (jusqu’à 500 mW ERP).
• 863–870 MHz : Divisé en sous-bandes pour diverses applications.
• 2,4 GHz et au-dessus : Technologies sans fil telles que Wi-Fi.

• Les bandes ISM étaient à l’origine destinées à un usage industriel, scientifique et médical mais sont maintenant couramment utilisées pour des communications générales.
• Les bandes SRD sont spécifiquement réservées pour les applications radio à courte portée et sont soumises à des limites plus restrictives en matière de puissance de transmission et de bande passante.

Bien que sans licence, plusieurs restrictions s’appliquent:

• Puissance de transmission maximale (par exemple, typiquement 25 mW à 868 MHz en Europe).
• Limitations du cycle de service (c’est-à-dire temps de transmission restreint).
• Régulations de fréquence régionales.
• Respect des normes CE (Europe) ou FCC (USA).

Les restrictions légales sur la puissance de transmission des appareils ISM et SRD varient selon la bande de fréquence et la région. Voici les principales exigences :

Bandes ISM : La puissance de transmission dans les bandes ISM est limitée par des régulations nationales et internationales pour éviter les interférences avec d’autres services.

Exemples :

• 2,4–2,5 GHz : Max. 100 mW (20 dBm) pour Wi-Fi et Bluetooth (Europe).
• 433,05–434,79 MHz : Max. 10 mW ERP (Europe).
• 5,725–5,875 GHz : Max. 25 mW (Europe).
• 13,553–13,567 MHz : Max. 10 mW ERP.

Les appareils ISM doivent répondre aux exigences de compatibilité électromagnétique (CEM) et éviter d’interférer avec d’autres services.

Bandes SRD : Les appareils SRD ont des limitations spécifiques en ce qui concerne la puissance de transmission ou la force de champ, selon la bande de fréquence :

• 6,765–6,795 MHz : Max. 42 dBµA/m à 10 m.
• 863–870 MHz : Max. 25 mW ERP (par exemple, appareils de maison intelligente).
• 446 MHz : Max. 500 mW ERP pour les radios PMR.
• 24–24,25 GHz : Max. 100 mW ERP.

Les appareils doivent accepter les interférences provenant d’autres services et fonctionner sans droits exclusifs d’accès au spectre.

Dans certaines gammes de fréquences, des exigences techniques supplémentaires s’appliquent, telles que :

• Sélection dynamique des fréquences (DFS) et contrôle de la puissance d’émission (TPC) dans la bande 5 GHz.
• Fonctionnement uniquement en intérieur sur certaines bandes (par ex. 5,150–5,350 GHz).

Les bandes ISM et SRD sont utilisées pour une variété d’applications. Voici quelques domaines d’utilisation typiques :

Bandes ISM : Communication sans fil : Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, NFC, LoRa, Z-Wave, Thread.

• RFID : Utilisé à 13,56 MHz et 915 MHz pour le contrôle d’accès, la logistique et les paiements.
• Technologie médicale : Diathermie, hyperthermie, ablation par micro-ondes.
• Ménage : Fours à micro-ondes, chauffage par induction.
• Industrie : Soudage RF, systèmes radar.

Bandes SRD :

• Sécurité : Détecteurs de fumée, capteurs de mouvement, alarmes personnelles.
• Automobile : Télécommandes de clés de voiture, ouvre-portes de garage, radar de véhicule.
• Télécommande : Thermostats sans fil, contrôle de modèles, domotique.
• Implants médicaux : Stimulateurs cardiaques, capteurs de santé sans fil.
• Télémétrie : Compteurs intelligents, systèmes de trafic, surveillance à distance.

Les bandes ISM et SRD offrent toutes deux des options basse puissance et sans licence pour les communications à courte portée.

Les bandes ISM et SRD sont soumises à diverses interférences et limitations causées par des facteurs techniques, réglementaires et physiques. Voici les points clés :

Interférences:

1. Interférences Électromagnétiques (EMI):
   • Les appareils ISM, comme les fours à micro-ondes ou les applications RF industrielles, génèrent de forts champs électromagnétiques pouvant perturber la communication radio dans les mêmes bandes de fréquences.
   • Les appareils SRD peuvent interférer les uns avec les autres, surtout lorsque l’utilisation du spectre est intense et que la synchronisation est insuffisante, entraînant des collisions d’accès aux canaux.
2. Surcharge due à une Densité d’Utilisation Élevée:
   • Les bandes très utilisées, telles que la bande ISM 2,4 GHz, sont souvent disputées entre Wi-Fi, Bluetooth et d’autres applications, ce qui peut affecter la fiabilité des communications.
3. Émissions Parasites:
   • Les équipements peuvent émettre des signaux non intentionnels en dehors de leurs canaux/fréquences désignés, causant des interférences avec les services adjacents. Les régulations limitent strictement ces émissions.
4. Collisions d’Accès aux Canaux:
   • Dans les bandes SRD, des collisions de signaux peuvent survenir en raison de méthodes d’accès au spectre non synchronisées (par ex., quand des systèmes radio indépendants utilisent le même canal à proximité les uns des autres), réduisant ainsi l’efficacité de l’utilisation du spectre.

Limitations:

5. Puissance de Transmission Limitée:
   • La puissance de transmission maximale est limitée selon la bande de fréquence (par ex. 100 mW dans la bande 2,4 GHz pour les appareils ISM et jusqu’à 25 mW dans certaines bandes SRD).
6. Limites de Cycle de Service:
   • Les appareils SRD ne sont autorisés à transmettre que pour une période limitée (par ex. un maximum de 10% du temps dans certaines bandes) afin de minimiser les interférences.
7. Restrictions de Fréquence:
   • Certaines plages de fréquences sont exclusivement réservées aux services dédiés ou sont soumises à des restrictions strictes. C’est-à-dire qu’elles ne peuvent pas être utilisées par des appareils de courte portée "non spécifiques".
8. Exigences Techniques:
   • Des fonctionnalités telles que l’agilité de fréquence (Allocation de Fréquence Adaptative) ou "Écouter Avant de Parler" doivent être mises en œuvre pour améliorer la coexistence avec d’autres appareils.
9. Pas de Droits de Protection:
   • Les utilisateurs des bandes ISM ne sont pas protégés contre les interférences causées par d’autres appareils ISM et doivent tolérer ces interférences.

En résumé, l’utilisation des bandes ISM et SRD nécessite une planification minutieuse pour minimiser les interférences et assurer le respect des exigences réglementaires.

À titre d’exemples, les listes suivantes montrent respectivement les limites de puissance de transmission ou de force de champ pour les bandes ISM et SRD les plus courantes en Europe:

Bandes ISM :

• 6,765–6,795 MHz : 42 dBµA/m @ 10 m
• 13,553–13,567 MHz : 10 mW ERP ou 42 dBµA/m
• 26,957–27,283 MHz : 10 mW ERP ou 42 dBµA/m
• 433,05–434,79 MHz : 10 mW ERP
• 2,4–2,5 GHz : 100 mW (20 dBm)
• 5,725–5,875 GHz : 25 mW
• 24–24,25 GHz : 100 mW ERP
• 61–61,5 GHz : 100 mW ERP

Bandes SRD : Mêmes valeurs que ci-dessus, en cas de chevauchements.

• 863–870 MHz:

• Général : 25 mW ERP

• 869,4–869,65 MHz: 500 mW ERP (10% cycle de service)

• 446 MHz (PMR446): 500 mW ERP

• 57–64 GHz: 100 mW ERP pour des données à large bande

Restrictions : L’utilisation de ces bandes est soumise à des exigences supplémentaires telles que les limites de cycle de service (par ex. max. 1% ou 10% du temps de transmission) et les techniques de réduction des interférences (par ex. DFS et TPC).

La portée dépend de la fréquence, de la puissance de transmission, de la sensibilité du récepteur, des conditions environnementales, des caractéristiques de l’antenne et d’autres facteurs. Les murs, les bâtiments et les interférences peuvent réduire considérablement la portée.

Une portée spécifique ne peut être indiquée que dans des conditions clairement définies.

La portée peut être calculée théoriquement en utilisant le budget de liaison et la "formule de l’espace libre". Cependant, la portée réellement atteignable doit être vérifiée avec les modules RF spécifiques en pratique.

L’optimisation du trafic radio dans les bandes ISM et SRD peut être réalisée par diverses mesures techniques et organisationnelles. Voici les approches les plus importantes :

Mesures techniques :

1. Implémentation de l’antenne:
   • Sélection d’une antenne qui est adaptée et fonctionne efficacement dans l’environnement d’application prévu
   • Optimisation de l’installation de l’antenne dans l’environnement d’application
2. Accord de l’antenne :
   • Une adaptation correcte entre l’antenne et le RFIO du transceiver est également un facteur clé pour une bonne communication radio efficace
   • L’accord de l’antenne doit être vérifié et optimisé dans l’environnement de l’application finale
3. Gestion des fréquences :
   • La sélection dynamique des fréquences (DFS) et les techniques de détection du spectre peuvent minimiser les interférences en identifiant et utilisant les canaux libres.
4. Optimisation des techniques de saut de fréquence :
   • Le « Frequency Hopping Spread Spectrum » (FHSS) réduit les interférences en distribuant les transmissions sur plusieurs fréquences porteuses. Cela est particulièrement utile dans les bandes fortement occupées, comme la bande 2,4 GHz.
5. Limites du cycle de service :
   • La limitation du temps de transmission (par ex. 1% ou 10%) réduit les interférences et permet à plusieurs appareils de coexister dans la même bande.
6. Filtrage du signal:
   • L’utilisation de filtres de haute qualité peut aider à réduire les émissions indésirables dans les émetteurs et à améliorer la sélectivité des récepteurs.
7. Modulation et codage adaptatifs :
   • L’adaptation des schémas de modulation et de codage aux conditions de canal augmente la robustesse de la communication.

Mesures organisationnelles :

1. Planification de la coexistence :
   • Avant d’installer des systèmes sans fil, les interférences potentielles de autres services radio doivent être analysées et minimisées.
2. Surveillance du spectre :
   • La supervision régulière des fréquences utilisées garantit que aucune interférence non autorisée ne se produit.
3. Conformité aux normes :
   • La conformité aux normes internationales et – si applicable – nationales, telles que le marquage CE et les attributions de fréquences spécifiques, assure un fonctionnement sans interférence.

Exemples d’application

• Dans les applications industrielles, les technologies LPWAN telles que LoRa peuvent être optimisées grâce à une gestion efficace des fréquences.
• Pour les appareils Bluetooth et WLAN, travaillant en parallèle dans la bande 2,4 GHz, les techniques telles que DSSS et FHSS (Propagation par Séquence Directe et Saut de Fréquence, respectivement) aident à réduire les interférences.

Ces mesures peuvent améliorer considérablement l’efficacité et la fiabilité de la communication sans fil dans les bandes ISM et SRD.