Télémesure

La télémesure est la transmission de résultats des expériences par une liaison radio.

Pour mener à bien ces liaisons, Planète Sciences et le CNES proposent un émetteur et le matériel de réception nécessaire :
- Kiwi Millenium (jusqu’à 2016)
- Kikiwi (à partir de 2016)

Le Kiwi Millenium est à la fois un système de télémesure simple à mettre en oeuvre et un émetteur HF pur. Selon le type de projet et les compétences de l’équipe, on peut utiliser le système simple ou en créer un plus performant (débit).

On distingue donc l’utilisation du Kiwi Millenium :
- comme système de télémesure, pour des ballons simples.
- comme émetteur seul, pour les fusées expérimentales ou les ballons évolués.
Dans ce 2e cas, la télémesure doit se conformer aux "standards" de Planète Sciences :
- La télémesure numérique avec une modulation FSK
- La télémesure analogique IRIG (VCO à XR2206 + Multiplexage en fréquence)

Formation Télémesure Club
Pla-Sci 2009
Manuel utilisateur de l’émetteur Kiwi
v3, 2009
Logiciel de réception Kicapt
2014
Exploiter les mesures Kicapt
2014
Telemesure numerique
Telemesure IRIG

Codage et modulation FSK

Les projets expérimentaux utilisent généralement des télémesures numériques, qui supportent de nombreuses expériences et permettent d’envoyer des données naturellement numériques (venant de capteurs numériques, d’un GPS,...), ce qui quasiment impossible à faire avec une télémesure analogique IRIG.

La télémesure numérique n’est pas beaucoup plus compliquée que la télémesure analogique, grâce à l’utilisation de microcontrôleurs (PIC, Atmel, BASIC stamp,...). Le club devra posséder quelques connaissances minimales de mise en œuvre et programmation des microcontrôleurs. La partie ’modulation’ est elle très similaire à celle d’une modulation analogique IRIG.

Codage des octets

Le codage de base de la télémesure numérique est inspiré de la norme RS-232, c’est une liaison série asynchrone à deux niveaux sans retour à zéro. On ne peut pas rigoureusement parler de "norme RS-232", car cette dernière comprend aussi les niveaux des tensions (qui sont différents dans notre cas), les formats des connecteurs, etc.

Le codage des octets est en fait celui de la plupart UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter, périphérique gérant les communications séries) des microcontrôleurs usuels (PIC, Atmel,...). En particulier :

- le bit de Start est un 0
- 8 bits de données (LSB first)
- pas de bit de Parité
- un seul bit de Stop, à 1
- au repos, la ligne est au niveau 1

Multiplexage dans un trame

Pour envoyer des données, il faut convenir des règles de communication entre l’émetteur et le récepteur. C’est l’objectif de la mise en forme des trames. Une trame est un bloc de données qu’on souhaite transmettre, avec un format fixe, connu de l’émetteur et du récepteur. Lorsque le récepteur reçoit des données, il saura rétablir à quelle expérience correspond quelle donnée, détecter et même corriger les erreurs de transmission.

On peut imaginer de nombreux formats de trames. Toutefois, les logiciels proposés par Planète Sciences ne supportent actuellement qu’un seul format de trame, dite "trame SNR".

La création d’une trame est nécessaire lorsque l’on souhaite envoyer plusieurs informations avec le même émetteur. En télémesure numérique, le plus simple consiste à mettre en série les différentes données à envoyer, opération appelée Multiplexage.

Le format de trame privilégié par Planète Sciences est
- Une nouvelle trame est marquée par un octet de synchronisation, de valeur 255 (0xFF).
- Les octets suivants sont les données transmises. Bien entendu, il ne faut pas transmettre la valeur 255 dans ces octets, sinon le logiciel se resynchronise sur cet octet et la trame est perdue. Généralement, le programme teste chaque octet et le limite à 254 (0xFE) s’il vaut 255 (0xFF).

Si le club le désire, il peut bien entendu utiliser d’autres formats, auquel cas il devra aussi réaliser le logiciel de réception. En particulier, on peut simplement ajouter des codes détecteurs et correcteurs d’erreurs, différents types de trames, etc.

Modulation FSK

La modulation permet de transformer un signal en un autre, mieux adapté à la transmission.

Par exemple, pour transmettre un signal par ondes radio, on ne peut pas utiliser n’importe quelle fréquence, pour des raisons légales et techniques. On va donc utiliser notre signal pour moduler un signal de fréquence différente, qui sera transmis.

On peut moduler plusieurs paramètres du signal : la phase, l’amplitude, la fréquence.
Sur une chaine de télémesure FSK type Planète Sciences, on utilise la modulation FM-FM à deux niveaux :
- pour passer du signal binaire en un signal analogique modulé envoyé à l’entrée de l’émetteur (kHz).
- dans l’émetteur Kiwi Millenium, pour moduler en fréquence l’onde électromagnétique dite "Porteuse" (MHz).

Pour passer du signal série binaire à un signal utilisable par l’émetteur Kiwi, on utilise une modulation FSK (Frequency Shift Keying), une modulation simple où chaque bit est codé par un signal sinusoïdal de fréquence bien définie. Un bit à 0 va être codé par une fréquence f0 et un bit à 1 va être codé par une fréquence f1 différente. Ces fréquences de codage sont nommées fréquences clefs.

Il existe bien sûr un lien entre les fréquences clefs, le débit et la portée de la liaison. Plus la fréquence est haute, plus le débit est grand mais la portée diminue.
Le matériel de réception CNES / Planète Sciences impose les fréquences / débit suivant.

Débit Fréquence "0" (0V) Fréquence "1" (5V) Amplitude modulation Kiwi
600 baud 1 500 Hertz 900 Hertz 0,5 Vcc
1 200 baud 2 650 Hertz 1 900 Hertz 1 Vcc
4 800 baud 15 000 Hertz 9 000 Hertz 1,5 Vcc
9 600 baud 24 000 Hertz 14 400 Hertz 2 Vcc
14 400 baud 36 000 Hertz 21 600 Hertz 2,5 Vcc
Télémesure Numérique FSK
ANSTJ 1993

Émetteur de télémesure

Émetteur FM

Un émetteur transforme un signal en une variation de signal HF.
Il utilise pour cela un VCO HF (même principe que la modulation IRIG).
Puis il amplifie ce signal pour l’envoyer sur une antenne.

Influence de l’amplitude de la modulation

  • Faible amplitude de la modulation BF (0.1Vcàc)
    • Faible déviation de la fréquence porteuse HF (NFM)
    • Grande portée, 10kbps max —> utilisé en Ballon
  • Grande amplitude de la modulation BF (1.0Vcàc)
    • Grand étalement du spectre HF (WFM)
    • Portée réduite, Bande Passante correcte —> utilisé en Fusex

Prévoir un potentiomètre de réglage de l’amplitude, pour affiner lors de test avec récepteur.

Transcodage ou pré-modulation nécessaire

Problème des VCO HF : ils n’acceptent pas de tension continue en entrée.
On est obligé de moduler le signal pour transmettre une information (trouver une autre façon de la représenter)

Opération linéaire analogique : modulation BF (IRIG, FSK …) -> émetteur FM-FM
Opération numérique logique : transcodage (Manchester, NRZ, scrambling …)

Les « systèmes de télémesure » intègrent un codage.

Fréquences : Bandes réglementées

Autorités de régulation, tableaux des fréquences : ONU : UIT ; Europe : CEPT ; France : ARCEP, ANFR.

Exemple d’attributions vers 138MHz :

Fréquence (MHz) Attributions primaires et secondaires
136 à 137 Mobile aéronautique (comm VHF)
Recherche spatiale (espace vers terre) [2nd]
137 à 138 Météorologie par satellite (espace vers terre)
Exploitation spatiale (espace vers terre)
Mobile aéronautique (défense)
Mobile par satellite LEO (espace vers terre)
Recherche spatiale (espace vers terre) [2nd] -> Kiwi 137.95 autorisé via le CNES
138 à 144 Mobile aéronautique (défense)
Recherche spatiale (espace vers terre) [2nd]
144 à 146 Amateur (exclusivité, 10W (novice) à 120W)

Tableau extrait du tableau derivé de l’ANFR.
Voir aussi la page "fréquences" de l’ARCEP.

Fréquences : Bandes Radioamateurs

Un R/A certifié doit être présent sur le lieu d’émission.
Puissance max : 1 à 120W et +.
Chaque bande est répartie par utilisations (ex : 144 à 144.035 : CW EME exclusif).
Bande occupée <7.5kHz.
Listen Before Talk
Mobiles aériens : demande d’autorisation à l’ARCEP

Fréquence (MHz) Priorité
28 à 29.7 Exclusivité
144 à 146 Exclusivité
430 à 440 Partagée
1240 à 1300 Secondaire
2300 à 2450 Secondaire
5650 à 5850 Secondaire
10G à 10.5G Exclusivité

Tableau extrait de http://f6crp.pagesperso-orange.fr/reg/.
Voir aussi la répartition des utilisations : http://radio.pagesperso-orange.fr/F...
Nota : VHF : 30-300MHz ; UHF : 300-3GHz

Fréquences : Bandes sans licence (≤500mW)

ISM (Industrial, Scientific and Medical)
SRD (Short Range Device) ; PMR (talkies)
AFP (Appareils de Faible Puissance et de Faible Portée)

Fréquence
(MHz)
Puissance Largeur canaux
’’Channel Spacing’’
Rapport cyclique
’’Duty Cycle’’
27, 35, 40, 68 100 mW (*) 10 kHz 100%
169,4 to 169,475 500 mW 50 kHz 10%
434,04 to 434,79 10 mW 25 kHz @ 100% 100%
869,40 to 869,65 500 mW WFM @ 10% 10%
902 to 928 USA only
2400 to 2483,5 100 mW
5725 to 5875 25 mW

Sources : FCC 47CFR Part 18, ETSI EN 300 220-1 & ETSI EN 300 440-1, Annexe 7 au tableau ANFR.
(*) : Automatic Meter Reader & Tracking, Systèmes de relevé de compteurs et dispositifs de localisation et de poursuite

Portée = Puissance / Fréq / Débit * Antenne

Bilan de liaison : PTX + GantT – Ppropag + GantR = PRX
Portée ≈ PTX / Fréq_HF /BandePassante * GantR

Portée PTX Fréquence HF BandePassante GantR (utilisation)
500 km 300 mW 138 MHz 0.6 kbps Yagi Ballon
10 km 300 mW 138 MHz 9.6 kbps Yagi Fusex
1 km 500 mW 869 MHz 9.6 kbps λ/4 CanSat
200 m 10 mW 869 MHz 9.6 kbps λ/4
1 km ? 100 mW 2.4 GHz 100 kbps patch

Iso-perte par propagation :

Fréquence Puissance
140 MHz 10 mW
440 MHz 80 mW
869 MHz 250 mW
2400 MHz 2000 mW

Exemple courants, à 2.4 GHz :

Puissance Puissance Protocole Débit Portée
0 dBm 1 mW ZigBee 0.2 Mbps 10 m
10 dBm 10 mW Bluetooth 1 Mbps 10 m
20 dBm 100 mW WiFi 10 Mbps 100 m
30 dBm 1000 mW GMS-3G 1 Mbps 10 km

Émetteurs/Récepteurs du commerce

Un chip, un module et un système de télémesure
  • Chips RF + LNA [5€]
    • TI, Semtech, Michrochip…
    • Conception & réalisation délicate (CMS & HF)
  • Module (sans codage) [40€]
    • Radiometrix, Aurel, nanotron, laird-tech…
    • Antenne à connecter proprement
    • Nécessite un codage ou modulation BF
  • Système de télémesure [80€]
    • HAC-tech, Radiometrix…
    • Tout-en-un, bien pour la vidéo
  • Pour des portées > 1km :
    • Éviter les protocoles bidirectionnels (Wifi, ZigBee, Ack)
    • Pouvoir relier le récepteur à une antenne à fort gain

Cette page est extraite de la présentation sur les émetteurs dans le cadre de la formation à la réalisation d’une chaîne télémesure.

Récepteur de télémesure

Chaine de réception télémesure


- Une antenne de réception : elle permet de recevoir avec un gain correct, les ondes émises par l’émetteur d’une fusée ou d’un ballon.
- Un récepteur : il "écoute" la fréquence de l’émetteur et restitue le signal de modulation en basse fréquence (BF).
- Un démodulateur : il transforme les fréquences en tensions et traite l’information de façon à ce qu’elle soit lue par un ordinateur. (Norme RS232)
- Un enregistreur : il permet une sauvegarde des télémesures. L’enregistrement se fait à la sortie du récepteur (signal BF).
- Un ordinateur de traitement : il met en forme l’information pour une présentation graphique en temps réel et une sauvegarde sous forme de fichier texte.

Les antennes

Le véhicule télémesure du CNES (Spatiobus) est équipé d’un mat de 5m de hauteur pouvant porter :
- une antenne 5 éléments qui a un gain important mais est très directionnelle (ballons)
- une antenne 3 éléments qui a un gain moins important mais est plus omnidirectionnelle (fusées).
Pour un lâcher de ballon sans le camion télémesure, on utilise une antenne 3 éléments.
Pour des tests de réception, une antenne lambda/4 suffira amplement.

Le récepteur AX700E

Bande ouverte : 50 à 904.995 MHz
Impédance de l’antenne : 50 Ohms
Sensibilité : AM (10 dB S/B) : 3 µV / FM (12 dB S/B) 1,5 µV
Puissance audio : 1,8 W
Impédance audio : 8 Ohms / 10% de distorsion max
Sortie enregistrement : 30 mV / Jack 3,5 mm

Le récepteur AR5000

Bande ouverte : 10 KHz à 2600 MHz
Impédance de l’antenne : 50 Ohms
Sensibilité : AM (10 dB S/B) : 3 µV / FM (12 dB S/B) 1,5 µV
Filtres standards : 3 KHz, 6 KHz, 15 KHz, 30 KHz, 110 KHz, 220 KHz
Puissance audio : 1,7 W
Impédance audio : 8 Ohms
Sortie enregistrement : 30 mV / BNC

Les démodulateurs

Le signal basse fréquence issu des récepteurs doit passer par un démodulateurs pour livrer son information qui sera exploitable par les équipes de projets.


La baie de réception du camion télémesure contient un rack de démodulateurs, permettant de démoduler les télémesures aux caractéristiques suivantes :
- IRIG 4 voies (excursions 20%)
- FSK 600 bauds 900/1500Hz [KIWI Me]
- FSK 1200 bauds 1200/2200Hz
- FSK 4800 bauds 9000/15000Hz
- FSK 9600 bauds 14400/24000Hz
- FSK 14400 bauds 21600/36000Hz

L’enregistrement audio

Le signal brut issu des récepteurs HF (signal modulé BF) est enregistré à 44Ksamples/s par la carte son d’un PC. Ce fichier son .wav permet de démoduler a posteriori la télémesure, dans le cas où la démodulation ou le décodage en direct s’est mal passé.