Brevet FR3136134A1 — publié le 20231201

Dispositif de communication bas coût RadCom, associant radars embarqués et communication inter-véhicules. La présente invention consiste en un dispositif de communication RadCom à bas coût associant des radars embarqués et des moyens de communication inter-véhicules plus communément appelés V2V. Le dispositif recourt à des standards utilisant une modulation d’ondes de type OFDM sur une bande de fréquence de 5 GHz (76 à 81 GHz), transformée en Stepped OFDM par la subdivision de ladite bande de fréquence en 39 canaux de 128 MHz, de manière à pouvoir recourir à des convertisseurs CAD/CDA beaucoup moins coûteux. Au lieu de recourir à des déphaseurs de Shiffman, ce dispositif utilise dix déphaseurs basés sur un coupleur directionnel à quatre ports et une capacité entre la tension d’alimentation des diodes Schottky et la masse et n’utilise qu’une sortie de FPGA (circuit intégré) réduisant ainsi la complexité et les coûts de réalisation. Figure pour l’abrégé: FIG 4 Dispositif de communication bas coût RadCom, associant radars embarqués et communication inter-véhicules. On sait que l’amélioration de la sécurité routière et l’orientation des technologies vers la conduite autonome des véhicules de transport, conduisent à recourir le plus souvent à une pluralité de radars embarqués pour détecter l’environnement immédiat des véhicules et apporter auxdits véhicules circulant sur les routes, une sécurité préventive ou primaire, c'est-à-dire un ensemble d’éléments liés au véhicule, aux usagers et à l’environnement pouvant éviter la survenue d’un accident. Le concept du véhicule autonome aujourd’hui recherché correspond à un véhicule automobile apte à circuler sur la voie publique sans intervention humaine en toutes situations. Il s’agit là d’une application typique de la robotique mobile présentant toutefois quelques nuances selon que l’on parle de véhicule totalement autonome, semi-autonome, ou à conduite automatisée par exemple en agglomération ou sur routes ouvertes ou encore à stationnement automatisé etc. Un véhicule autonome est le plus souvent équipé de capteurs numériques tels que radars, lidars, caméras, etc. dont les données relevées sont traitées par des processeurs et des logiciels spécifiquement adaptés. Lesdits processeurs et logiciels reconstituent la situation routière 3D par reconnaissance de formes, par exemple limites de chaussées, de voies de circulation, de véhicules environnants, de panneaux ou d’obstacles divers et emploient des algorithmes d’intelligence artificielle pour agir en conséquence sur les commandes du véhicule. Les systèmes de communication coopérative sont plus généralement désignés par V2V pour les communications de véhicule à véhicule, V2I pour les communications de véhicule à infrastructure et I2V pour les communications des infrastructures vers le véhicule. L’auteur du présent brevet participant activement à ces travaux a déjà déposé plusieurs brevets dans cet objectif et notamment un brevet concernant un dispositif de communications coopératives pour système de transport, associant radars embarqués et communications inter-véhicules V2V dit RadCom, brevet déposé sous le numéro FR 1902963 du 21/03/2019 et un brevet concernant un procédé pour optimiser les performances d’un réseau d’antennes déposé le 28/04/2021 sous le numéro FR 2104435. Les communications inter-véhicules V2V permettent l’échange de données entre les véhicules et ainsi d’appréhender les dangers. Elles agissent généralement selon trois standards courants tels que: 802.11p, Device-to-Device-PC5 du standard 3GPP Rel.13 et 14 couramment appelé 4G et 4G+ et Device-to-Device-PC5 du standard 3GPP Rel.15 et 16 couramment appelé 5G. Ces standards utilisent les formes d’ondes OFDM, FBMC etc. L’OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing) est un procédé de codage de signaux numériques par répartition en fréquences orthogonales sous forme de multiples sous-porteuses. Cette technique permet de lutter contre les canaux sélectifs en fréquence en permettant une égalisation de faible complexité. Ces canaux se manifestent notamment en présence de trajets multiples et sont d'autant plus pénalisants que le débit de transmission est élevé. Pour que les fréquences des sous-porteuses soient les plus proches possibles et ainsi transmettre le maximum d’informations sur une portion de fréquences donnée, l’OFDM utilise des sous-porteuses orthogonales. Ainsi, les signaux des différentes sous-porteuses se chevauchent mais grâce à l’orthogonalité n’interfèrent pas entre eux. En adoptant une modulation OFDM de l’onde émise, on assure un fonctionnement simultané radar (Détermination des distances et des vitesses des différentes cibles) et communications inter-véhicules. On assure également que les Radcom se trouvant dans une même zone ne s’affectent pas par leurs propres mutuelles interférences et ne soient affectés par des interférences produites par d’autres types de radars, par exemple les radars actuels FMCW. Les interférences émises par la puissance des autres radars n’affectent pas le réseau RadCom du présent brevet compte tenu de sa petite ouverture de faisceau (0,4°), les ondes émises par les autres radars ayant une probabilité nulle d’être détectées par l’antenne de balayage. La modulation OFDM étant produite en numérique, il convient pour l’émettre de la convertir en un signal analogique et convertir les signaux analogiques reçus en signaux numériques. Ceci implique l’utilisation de convertisseurs CDA et CAD (Convertisseur Digital/Analogique à l’émission et Convertisseur Analogique/Digital à la réception). En utilisant toute la bande de fréquence de 5GHz (76 à 81 GHz), on obtient une bonne résolution en distance mais on impose une fréquence d’échantillonnage des CDA/CAD élevée et supérieure à 2x5=10 giga- échantillons/s, ce qui implique un coût des CAD très élevé rendant le cout de RadCom incompatible avec l’automobile. Il est toutefois possible de conserver la même précision en distance en utilisant des CAD de basse fréquence d’échantillonnage à cout réduit en transformant l’OFDM en Stepped OFDM. Voir les figures 2 et 3. Selon le mode de réalisation préféré de l’invention, le dispositif de communication à bas coût RadCom utilise la modulation Stepped OFDM en subdivisant la bande de 5 GHz (76 à 81 GHz) en 39 canaux de 128 MHz, de telle manière que le déphasage de chaque canal est sensiblement réduit (considéré constant) et permet le recours à des convertisseurs conventionnels et donc de bas cout, afin de parvenir ainsi à la réalisation d’un ensemble RadCom à un coût compatible avec l’automobile. Voir la . Les déphaseurs analogiques généralement utilisés sont constitués d’une cellule de Shiffman associée à deux diodes varicap générant des capacités variables C1 et C2 sous l’action d’une seule tension de commande. Les deux lignes couplées sont caractérisées de manière habituelle par une longueur L de λ/4. Voir la . La phase au port 2 «Output port Z0» fonction du déphasage introduit par la cellule de Shiffman est : Pour que la réalisation des PCB soit à bas coût, certaines exigences doivent être appliquées, notamment : - La largeur des pistes doit être supérieure ou égale à 100µm. - La distance séparant deux pistes adjacentes doit être supérieure ou égale à 100µm. Selon le mode de réalisation préféré de l’invention, les exigences ci-dessus ne pouvant pas être respectées par le déphaseur à base de cellule de Shiffman, le dispositif de communication à bas coût RadCom du présent brevet recourt à dix déphaseurs, chacun basé sur un coupleur directionnel à quatre ports, de manière à couvrir toute la plage de déphasage exigée (0° à 360°) et satisfaire ainsi les exigences des PCB bas coût. Voir la . L’antenne directive du dispositif étant composée de 112 fentes réparties par 8 sur 14 cercles, chaque fente est associée à un déphaseur dont la phase varie en fonction des variations des capacités des diodes Schottky associées et consécutivement de la tension appliquée à ces diodes. Pour balayer toute la zone horizontale (-45° à +45°) et toute la zone verticale (-10° à +10°) et couvrir les 11250 pixels, les tensions sont appliquées de façon indépendantes l’une de l’autre et leurs valeurs sont différentes. Il doit donc être fourni 112 tensions indépendantes qu’on doit aussi faire varier numériquement. Pour cela, la commande la plus courante utilise 112 CDAs (Convertisseur Digital Analogique). En supposant que ces 112 CDAs soient au minimum de 8 bits, il faudrait disposer d’au moins 896 (112x8) sorties FPGA dédiées. Cela ne pourrait donc pas être réalisé avec un seul FPGA de bas coût et conduirait à une réalisation complexe et coûteuse. Selon le mode de réalisation préféré de l’invention, une capacité est placée entre la tension d’alimentation des diodes Schottky et la masse. Cela permet de charger cette capacité à la tension souhaitée et de la maintenir le temps de la durée d’un pixel. L’objectif de cette action est de fournir des images (Distance/vitesse) au rythme de 25 images/seconde, considérant 11250 pixels par image, la durée d’un pixel est de 3,56µs = (1/25 : 11250). Voir la . Selon le mode de réalisation préféré de l’invention, les cercles sont désignés de C1 à C14 en partant du plus petit diamètre au plus grand et les tensions à fournir associées aux fentes d’un cercle C1 de D1_C1 à C1 de D8_C1. Voir la . On considère alors 14 multiplexeurs analogiques à 8 sorties connectés à des capacités C et dont les entrées sont des tensions analogiques fournies par des CDA 8 bits. Chaque multiplexeur est dédié à un cercle de fente. Il fournit en 8 coups d’horloge CLK les 8 tensions alimentant les diodes Schottky associées aux 8 déphaseurs / fentes. La fréquence de l’horloge CLK est ajustée de manière à ce que les capacités C aient le temps de se charger aux bonnes valeurs et de maintenir les charges le temps de la durée du pixel 3,56µs. L’actualisation des tensions des 112 capacités se fait selon un temps équivalent à 1 microseconde soit environ un tiers du temps alloué à un pixel (3.55us = 1/11250pixels x 25), ce qui implique un temps de charge unitaire de chaque bande de 14 capacités de 125ns (1us/8) puisque les capacités vont être chargées par groupes de 14 en 8 cycles. Ces capacités devront ensuite maintenir la tension sur le reste de la durée du pixel soit 2.55us. Toutefois, la durée d’un pixel pourra être plus longue si par exemple, la stratégie d’analyse de l’image radar se concentre sur quelques pixels pendant des temps plus longs. Voir la . Selon le mode de réalisation préféré de l’invention, le nombre de sorties de FPGA étant limité (112 = 14 x 8), le dispositif de communication à bas coût RadCom recourt à un seul FPGA (circuit intégré) dans une réalisation plus simple et moins couteuse. La complexité est donc réduite de 112 à 14 comme si on avait que 14 fentes au lieu de 112. Selon le mode de réalisation préféré de l’invention, le circulateur du dispositif de communication à bas coût RadCom est conçu à base d’un coupleur en anneau de circonférence égale à 6λ/4 (λ=longueur d’onde) comportant quatre ports d’impédance caractéristique égale à 50 ohms. Voir la . Le port C est connecté à l’émetteur, le port A au déphaseur, le port B au récepteur et le port D est chargé par une résistance de 50 ohms. Les ports A et B sont séparés l’un de l’autre d’une longueur de λ/4. Le port D est séparé du port B d’une longueur de 3λ/4 et du port C d’une longueur de λ/4. Lorsque le premier port C est excité par une onde (émission), elle se divise en deux ondes. Une se propage dans le sens trigonométrique et l’autre dans le sens contraire. Ces ondes se trouvent en phase au port A (Déphaseur / Antenne) et en opposition de phase au port D (lié à la résistance) et B (Récepteur). Par conséquent à l’émission, le port C est couplé au port A et isolé des ports B et D. Si le port A est excité (Réception de l’écho radar), le même raisonnement que précédemment montre que ce port est couplé au port B et isolé des ports C et D. La résistance connectée au port D consomme très peu d’énergie. Elle est nécessaire pour assurer l’adaptation d’impédance pour les fréquences non continues. Une de ses extrémités est donc reliée à la masse. Voir la . Classiquement et vu qu’on utilise des PCB multicouches pour connecter la résistance à la masse, on est amené à recourir à des trous métallisés traversant les multicouches, lesquels ne peuvent que perturber les signaux utiles dans la bande 76 à 81 GHz et amènent à concevoir des solutions complexes pour contrecarrer les perturbations. Selon le mode de réalisation préféré de l’invention, le dispositif de communication à bas coût RadCom présente une capacité planaire connectée à la résistance du port D du circulateur et non connectée à la masse. Cette résistance agit comme un court-circuit en alternatif sans amener de perturbations. Voir la . Le recours à un coupleur en anneau 4 ports offre une réponse large bande 5 GHz (76 à 81 GHz), une perte de retour négligeable à tous les ports, une grande isolation entre les ports et un layout (largeur des pistes) permettant la réalisation des PCB bas coût. L’utilisation d’une capacité planaire évite les perturbations. L’alimentation des diodes Schottky d’un déphaseur propage aux autres déphaseurs à travers les différents circulateurs, ce qui fausse toutes les tensions d’alimentation et induit un résultat du pointage de l’antenne différent de celui qui est planifié. En plaçant une capacité entre le circulateur et le déphaseur cela semble devoir résoudre le problème. Cette capacité dite trois doigts transmet les signaux utiles sans les atténuer dans la bande 76 à 81 GHz et elle ne transmet pas le continu (tension d’alimentation).Toutefois, celle-ci ne satisfait pas les exigences de réalisation. Voir la . Selon le mode de réalisation préféré de l’invention, le dispositif de communication à bas coût RadCom est réalisé en utilisant des PCB multicouches, lesquels induisent des capacités situées entre les différentes couches. On conçoit ainsi la capacité d’isolation utilisant 2 couches de PCB adjacentes, nommée capacité multicouches ou bien sandwich. Voir la . Les dessins annexés illustrent l’invention: montre un déphaseur de Shiffman. est un graphique montrant le déphasage en utilisant la modulation OFDM. est un graphique montrant le déphasage en utilisant la modulation OFDM transformée en Stepped OFDM. montre le schéma de montage du déphaseur basé sur coupleur directionnel à quatre ports. montre le schéma de montage du déphaseur basé sur coupleur directionnel à quatre ports avec une capacité placée entre la tension d’alimentation des diodes Schottky et la masse. montre la répartition des multiplexeurs analogiques alimentant les diodes Schottky. est un schéma montrant le recours à un seul FPGA. montre un circulateur à base d’un coupleur en anneau. montre un circulateur à base d’un coupleur en anneau avec capacité planaire connectée à la résistance mais non connectée à la masse. est une vue d’une capacité à trois doigts. montre une capacité multicouches. Dispositif de communication bas coût Radcom associant radars embarqués et communication V2V, caractérisé en ce qu’il recourt à la modulation Stepped OFDM, à un seul FPGA, (circuit intégré), à dix déphaseurs analogiques chacun basé sur un coupleur directionnel à quatre ports et à un circulateur conçu à base d’un coupleur en anneau comportant quatre ports. Dispositif de communication bas coût Radcom associant radars embarqués et communication V2V selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il utilise la modulation Stepped OFDM en subdivisant la bande de 5 GHz (76 à 81 GHz) en 39 canaux de 128 MHz, de telle manière que le déphasage de chaque canal est sensiblement réduit (considéré constant) éliminant ainsi les erreurs de pointage et permettant le recours à des convertisseurs de très petite vitesse et de bas coût, afin de parvenir ainsi à la réalisation d’un ensemble RadCom à un coût compatible avec l’automobile. Dispositif de communication bas coût Radcom associant radars embarqués et communication V2V selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il recourt à dix déphaseurs, chacun basé sur un coupleur directionnel à quatre ports, de manière à couvrir toute la plage de déphasage exigée (0° à 360°) et satisfaire ainsi les exigences des PCB bas coût. Dispositif de communication bas coût Radcom associant radars embarqués et communication V2V selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’une capacité est placée entre la tension d’alimentation des diodes Schottky et la masse, cela permettant de charger cette capacité à la tension souhaitée et de maintenir celle-ci le temps de la durée d’un pixel, de manière à fournir des images (Distance/vitesse) au rythme de 25 images/seconde en considérant 11250 pixels par image, la durée d’un pixel étant de 3,56µs = (1/25 : 11250). Dispositif de communication bas coût Radcom associant radars embarqués et communication V2V selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il recourt à un seul FPGA (circuit intégré) dans une réalisation plus simple et moins coûteuse, la complexité étant ainsi réduite de 112 à 14 comme si on avait que 14 fentes au lieu de 112. Dispositif de communication bas coût Radcom associant radars embarqués et communication V2V selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il recourt à un circulateur conçu à base d’un coupleur en anneau de circonférence égale à 6λ/4 (λ=longueur d’onde) comportant quatre ports d’impédance caractéristique égale à 50 ohms. Dispositif de communication bas coût Radcom associant radars embarqués et communication V2V selon les revendications 1 et 6, caractérisé en ce qu’il présente une capacité planaire connectée à la résistance du port D du circulateur et non connectée à la masse. Cette résistance agissant comme un court-circuit en alternatif sans amener de perturbations. Dispositif de communication bas coût Radcom associant radars embarqués et communication V2V selon les revendications 1 et 7, caractérisé en ce qu’il est réalisé en utilisant des PCB multicouches, lesquels induisent des capacités situées entre les différentes couches, la capacité d’isolation utilisant 2 couches de PCB adjacentes, étant nommée capacité multicouches ou bien sandwich.