Comparaison des systèmes RC 2,4 GHz
Philippe Kauffmann, club des 5A Pardines (Auvergne)
Version initiale : octobre 2007
Version 3.3 : février 2009
Photos : fabricants
Liste des articles à : http://laic.u-clermont1.fr/~kauffmann/modelisme.htm
Les radios 2,4 GHz commencent à envahir le marché avec déjà sept standards. Lequel choisir ? Cela vaut il vraiment la peine d'acheter ce nouveau matériel ? Telles sont les questions que certains se posent déjà. Cet article ne peut pas répondre directement, mais tente de donner les éléments d'information pour aider à se faire une opinion.
Sommaire
Les sept standards et le matériel commercialisé au printemps 2008
Faiblesses de la RC "classique"
Etalement de spectre : les deux façons
Comparaison théorique et pratique de FASST, IFS et DSM(2)
Les sept standards et le matériel commercialisé au printemps
2008
Les modélistes sont les derniers à bénéficier des techniques modernes de radiocommunications. Selon la Wikipedia, Roosevelt et Churchill utilisaient déjà ces systèmes dits "modernes" pour dialoguer de façon sûre entre eux durant la seconde guerre mondiale…
Malheureusement pour nous, comme dans le cas du PCM, seuls des standards propriétaires aux caractéristiques précises partiellement ou totalement cachées émergent :
- Le système SPEKTRUM/JR
appelé DSM et DSM2 (évolution de DSM)
- Le système FUTABA appelé FASST
- Le système SANWA sans nom, mais fonctionnant de façon quasiment identique au système FASST
- Le système GRAUPNER appelé IFS (origine XPS américain)
- Le système WFLY chinois distribué par JAMARA
- Le système ASSAN également chinois et vendu sur Internet
- Le système ACT allemand, bien connu dans l'univers des grands modèles
SPEKTRUM/JR commercialise des modules pour les différentes marques de radiocommandes, des systèmes pour voiture, un système indoor 6 voies et un système plus classique à 7 voies (photo 1) appelé DX7 qui est une évolution de la radiocommande MX12 JR. Leur standard appelé DSM2 est basé sur le DSSS (voir plus loin). La fiabilité de la réception est améliorée par la présence de deux récepteurs ayant des antennes polarisées orthogonalement.
Photo 1 : système DX7 SPEKTRUM
FUTABA adopte a priori la même politique que JR, à savoir proposer des modules pour radios haut de gamme, des ensembles pour voitures, une radio un peu basique (photo 2) à 6 voies (sœur jumelle de la radiocommande 6EX en 41 MHz) et une 7 voies (T7C) comparable à la DX7 de JR. La gamme s'étoffe depuis le début de l'année 2008 avec des radios plus haut de gamme. Leur système appelé FASST est basé sur le FHSS (voir plus loin) et deux antennes de réception à polarisations orthogonales.
Photo 2 : système 6EX 2.4 GHz de FUTABA
SANWA propose seulement un système radio haut de gamme RDS8000 présenté à la photo 3. Le principe technique adopté est le même que FUTABA, à savoir le FHSS (saut de fréquence) et une double réception.
Photo 3 : système SANWA RDS8000
GRAUPNER propose plusieurs systèmes radios complets MX16 (photo 4), MX22 (d'autres s'apprêtent à sortir) et des modules pour les marques JR, FUTABA et MULTIPLEX. Bien que ce ne soit pas mentionné dans les publicités on peut s'apercevoir en démontant les appareils qu'ils intègrent des transceivers industriels bien connus et diffusés (XBEE PRO de MAXSTREAM), au standard ZIGBEE. Leur système mis au point par la société américaine XPS rajoute une surcouche (saut de fréquence à la demande) à la norme ZIGBEE basée sur le DSSS (voir plus loin).
Photo 4 : modules IFS GRAUPNER
JAMARA distribue du matériel chinois fabriqué à Shenzhen homologué pour l'Europe. La seule radiocommande proposée est la WFT09 (photo 5) de haut de gamme, vendue dans sa variante "de luxe" avec une HF (haute fréquence) en 41 MHz et une HF en 2,4 GHz. Malheureusement quasiment aucune information n'a filtré sur ses caractéristiques HF.
Photo 5 : radiocommande WFT09
ASSAN, autre fabricant chinois en lice adopte une politique un peu particulière puisqu'il se limite à proposer pour le moment des modules HF et récepteurs (photo 6) pour radios JR, FUTABA, SANWA et KO PROPO.
Photo 6 : modules radio ASSAN
Enfin, la société ACT, bien connue des adeptes de grands modèles qui ont besoin de sécurité extrême, propose des modules et récepteurs qui s'adaptent aux principaux émetteurs du marché. Comme l'univers d'ACT est la fiabilisation par redondance et le très haut de gamme, la société propose un système de double émission et réception à 35 MHz (ou 41 MHz) et 2,4 GHz (voir photo 7). Pour le 2,4 GHz ACT a choisi la méthode FHSS comme FUTABA et SANWA. Mais cette fois-ci pour régler les problèmes de polarisation d'onde, c'est l'émetteur 2,4 GHz qui est double (notez les deux antennes à 2,4 GHz sur l'émetteur de la photo 7) au lieu du récepteur, ce qui revient strictement au même.
Photo 7 : système redondant ACT
Bien que tout ne soit pas dévoilé (loin s'en faut), nous allons essayer ici de comparer les standards DSM2, FASST et IFS à la lumière des problèmes classiques qui méritent d'être résolus. Les systèmes SANWA et ACT seront ignorés dans la suite car ils sont quasiment identiques au système FASST. Les deux systèmes chinois seront aussi ignorés, mais dans ce cas parce qu'aucune information technique n'a filtré (à ma connaissance) sur eux.
Faiblesses de la RC "classique"
Les ensembles de radiocommandes qualifiés de classiques fonctionnent soit selon le standard ouvert bien connu (avec quelques variantes) appelé PPM défini dans la seconde moitié des années 60, soit selon le standard PCM (avec plusieurs variantes, toutes propriétaires) apparu dans les années 80. L'article "perturbations RC" précise le fonctionnement de ces standards dont un bref aperçu est donné ici.
PPM signifie Pulse Position Modulation. L'information de position des manches est traduite en une durée d'impulsion transmise avec une périodicité d'environ 22 ms. Deux types de récepteurs donnent des résultats très différents au niveau fiabilité en décodant cette information soit :
- sans analyse ni délai à l'aide
de bascules électroniques,
- soit après analyse de
cohérence par un microcontrôleur avec un léger délai de traitement.
PCM signifie Pulse Code Modulation. L'information de position des manches est traduite en nombres binaires (méthode utilisée dans les ordinateurs) transmise bit à bit au débit de 3,3 kbps avec une périodicité de 21 ms ou 33 ms selon le standard. Le décodage ce fait toujours de façon intelligente (détection des incohérences) avec un délai compris entre 10 et 20 ms.
Il faut donc distinguer non pas deux systèmes, mais trois : PPM avec décodage basique, PPM avec décodage intelligent et PCM. Les performances du PPM avec décodage intelligent sont au demeurant très proches de celles du PCM comme on le verra plus loin, ce qui justifie que certaines grandes marques de systèmes radio (MULTIPLEX) ne proposent plus de système PCM.
Selon le système parmi les trois décrits ci-dessus, plusieurs problèmes de fonctionnement peuvent gêner l'utilisateur. Ils sont détaillés ci-dessous par ordre de gravité décroissante.
- Deux
émetteurs sur la même fréquence : le problème fondamental ─
connu de tous ─ avec les ensembles RC classiques est l'émission
involontaire (voir volontaire dans certains cas) de quelqu'un sur une
fréquence déjà prise. La conséquence est presque invariablement un
aéromodèle détruit. Notons toutefois que la radio SUPERTEF05 de
construction amateur proposée par Françis Thobois permet dans
certains cas l'évasion de fréquence (changement de la fréquence de
réception en cas de perturbation) pour résoudre ce problème.
- Antennes
polarisées orthogonalement : Les ondes herziennes sont polarisées
comme la lumière. Si les antennes d'émission et réception ont une
orientation relative mauvaise, il n'y a momentanément plus de réception
(voir l'article sur la transmission radio).
C'est la principale origine de ce qu'on appelle les "tops
radio". Très gênants en PPM classique, ils sont fortement atténués
avec le décodage intelligent et le PCM qui en cas de mauvaise réception
utilisent les derniers ordres cohérents (mode Hold). C'est l'élimination
(au moins partielle par le mode Hold) de ce problème qui a justifié
l'adoption du PCM et du PPM avec décodage intelligent.
- Perturbations
par les voitures, lignes HT et émetteurs CB : pas très souvent, mais
parfois tout de même, des sources de parasites externes perturbent les
récepteurs (voir l'article sur les perturbations
RC). Comme dans le cas 2, c'est la PPM avec décodage par bascule
électronique qui s'en sort le plus mal. Le décodage intelligent et le PCM
limitent les dégâts en activant le mode "Fail Safe" au besoin.
- Creux
de réception : tous les ensembles RC classiques ont intrinsèquement
une portée largement excédentaire. Le signal peut toutefois s'évanouir
lorsque l'onde directe est atténuée par une onde réfléchie sur un obstacle
en opposition de phase au niveau de l'antenne de réception. Ce phénomène
se voit relativement peu avec les radios classiques, mais existe à
proximité immédiate du sol et peut apparaître lorsqu'on vole en salle ou
sur des terrains très accidentés (reliefs importants, bâtiments, forêt,
etc.). Comme dans les cas précédents la modulation PPM à décodage basique
n'offre pas de solution, tandis que le décodage intelligent comme le PCM
exploitent les modes "Hold" ou "Fail Safe" selon la
durée de la coupure de réception.
- Retard
entre le mouvement du manche et du palonnier du servo : dans un
ensemble RC le signal est toujours transmis avec du retard au servos. Au
mieux, comme les manches sont "lus" une fois toutes les 15 à 22
ms, ce temps de latence minimum devra être accepté. Les servos ─
eux-mêmes ─ ne recevant une consigne que toutes les 22 ms et n'étant
pas instantanés ajoutent un retard. Dans ce domaine, c'est la PPM de base
qui s'en sort le mieux et la PCM qui s'en sort le plus mal car avant de
transmettre un ordre elle doit lire la totalité d'une trame donnée avant de
pouvoir en vérifier la validité et la décoder. Malgré tout, les champions
des diverses disciplines modélistes ne semblent pas être outre mesure
perturbés par le temps de latence relativement important lié à la
modulation PCM et la préfèrent presque toujours aux autres.
- Imprécision
de positionnement du palonnier du servo : avec l'apparition de la PCM
la précision de la commande a été mise en avant car elle devenait assez
facilement définissable (mais de façon incorrecte) par le nombre de pas
entre une butée et l'autre des palonniers de servos. La PCM utilisait 512
pas au départ, puis on est passé à 1024 pour finir à 2048 pas. Sachant que
l'erreur de précision des potentiomètres de servos comme de manches
dépasse plusieurs pourcents, et que de plus la réponse de la tringlerie
n'est pas linéaire et qu'on évalue l'effet d'une action "à
l'œil", même 512 pas sont largement suffisants (Un pas correspond
alors à environ 0,1 mm sur le manche). La mise en avant de la précision en
nombre de pas est donc un mauvais argument commercial.
Etalement de spectre : les deux façons
Pour résoudre le problème n°1 (même fréquence sur plusieurs émetteurs), les militaires utilisent depuis plus de 50 ans une technique appelée étalement de spectre, passée dans le domaine civil à la fin des années 1970. La technique se présente sous deux variantes :
- FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) : émission de paquets de données courts et changement aléatoire de la fréquence d'émission à chaque paquet. Si un paquet est perdu par interférence il est immédiatement réémis sur la nouvelle fréquence.
- DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) : ajout d'un code spécifique d'étalement à chaque émission de paquet. A la réception, le récepteur qui connaît le bon code concentre le signal utile en appliquant le code et étale les autres à un niveau tel qu'il cessent d'être gênants.
Le saut de fréquence (FHSS) est la technique la plus simple. Elle suppose régulièrement des collisions (plusieurs émetteurs sur la même fréquence) avec pertes des données qu'il faut compenser. C'est la technique utilisée en informatique par la norme BlueTooth. En RC, la technologie FASST de FUTABA correspond à ce principe. FASST transmet chaque trame (contenant la position de tous les manches) toutes les 2 ms (au lieu de 22 ms en PPM). Ainsi, même si on perd 10 trames sur 11 il en restera encore assez pour les servos qui ne peuvent recevoir de toute façon qu'une commande toutes les 22 ms. Ces émissions redondantes permettent à FASST de ne pas avoir à réémettre les paquets perdus comme en FHSS classique.
L'étalement direct (DSSS) plus complexe c'est développé plus tard et est utilisé notamment dans le GPS, WiFi, la téléphonie mobile aux US, la 3ème génération de la téléphonie mobile en Europe, ZIGBEE (inclus dans IFS de Graupner) et la technique DSM de Spektrum/JR. Cette fois ci plus question de perdre des données. Les données ayant un "mauvais code" sont tout simplement étalées et donc fortement atténuées. De nombreux émetteurs peuvent alors utiliser la même fréquence sans inconvénient. Le détail du fonctionnement de cette technologie est exposé dans l'article "Etalement de spectre direct".
DSM bien qu'intrinsèquement fiable, utilisant une périodicité de paquet de 5,6 ms, peut se permettre en plus de perdre 3 trames sur 4 sans inconvénient. Cerise sur le gâteau, la variante DSM2 utilise simultanément deux ensembles de transmission sur des fréquences différentes ; on atteint alors un degré de fiabilité bien supérieur à celui garanti par le DSSS de base, car il y a redondance de deux systèmes chacun intrinsèquement fiable.
La technique IFS de Graupner est basée sur ZIGBEE, donc l'étalement direct (DSSS), mais y rajoute une surcouche qui consiste à changer de fréquence en cas de besoin. C'est ce qu'on appelle l'évasion de fréquence. En cas de détection d'interférence la fréquence d'émission est immédiatement changée. Cela revient au même que le FHSS dans le cadre de la RC. On peut donc considérer que d'une certaine façon IFS cumule le DSSS et le FHSS.
N. B. : Il ne faut pas confondre l'évasion de fréquence d'IFS Graupner avec celle des STF05 de Françis Thobois. Dans le cas des STF05 on émet sur deux fréquences fixes et le récepteur choisit celle qui fournit la meilleure réception.
Comparaison théorique et pratique de FASST, IFS et DSM(2)
Le problème n°1 (paragraphe problèmes) du partage de fréquence est totalement résolu par les trois standards car chaque récepteur reconnaît son émetteur et se verrouille sur lui.
Le problème n°2 (antennes orthogonales) est résolu par FASST en utilisant deux antennes perpendiculaires et DSM(2) en utilisant deux récepteurs indépendants avec des antennes perpendiculaires. On notera que cette disposition est sans relation directe avec l'étalement de spectre. IFS ne dispose que d'une antenne et repose donc sur le mode "Hold" comme le PCM durant les brèves coupures.
Le problème n°3 (perturbations électromagnétiques) est résolu par nature par tous les systèmes en 2,4 GHz car ces perturbations sont typiquement situées dans une plage de fréquences basses (fréquences inférieures à 300 MHz), bien en-deça de la fréquence de 2,4 GHz. Accessoirement, la nouvelle bande devrait aider les modélistes qui éprouvent des difficultés à déparasiter leurs moteurs électriques de propulsion, ou les allumages des moteurs à bougie à étincelles des grands modèles.
Le problème n°4 (creux de réception) est réglé en mode FASST et IFS par le saut de fréquence qui modifie accessoirement la position des creux d'interférence. Il est réglé en mode DSM par les deux récepteurs placés à des endroits différents, et il est même réglé une seconde fois en mode DSM2 par le fait que cette variante utilise deux récepteurs callés sur des fréquences différentes.
Le problème n°5 (retard des signaux) est insignifiant dans tous les cas car la périodicité de transmission radio est très supérieure (4 à 11 fois) à la périodicité de transmission des ordres aux servos. Il s'agit la d'un progrès par rapport au mode PCM. Il ne reste plus qu'à fabriquer des servos acceptant des ordres plus de 50 fois par seconde pour que la différence devienne perceptible…
Le problème n°6 (précision) n'existe plus depuis plus de 20 ans. IFS transmet 2048 niveaux, DSM(2) transmet 8096 niveaux et FASST 32768 niveaux ce qui est excessif dans tous les cas. Il s'agit là uniquement d'un argument commercial visant à embrouiller l'utilisateur final. Dommage que les commerciaux ne respectent pas plus les clients…
On peut conclure que tous les points faibles des radios classiques sont résolus par les trois standards de radios fonctionnant en 2,4 GHz. FASST est le plus simple, DSM2 est le plus sophistiqué car totalement redondant. Malgré tout, il est peu probable qu'on puisse sentir une nette différence.
La différence ne se fera probablement pas sur le principe utilisé, mais plutôt sur la qualité du matériel :
- qualité du montage (pas de soudure qui lâche, etc.),
- qualité du silicium (pas de composant qui grille, etc.),
- qualité du logiciel (pas de délai excessif de resynchronisation après un décrochage, etc.).
Le dernier point évoqué est un point clef, car la difficulté principale des systèmes à étalement de spectre et évasion de fréquence est la synchronisation entre émetteur et récepteur. Avec certains systèmes (GPS en particulier) la synchronisation peut prendre plusieurs dizaines de secondes, ce qui est totalement inacceptable en radiomodélisme. Tout système qui aura des difficultés de resynchronisation après une coupure sera considéré très négativement.
Le chapitre précédant présente un tableau idyllique du 2,4 GHz. Le progrès est évident, mais il y a malgré tout quelques reculs.
- La bande de 2,4 GHz n'est pas réservée pour le modélisme. Elle est partagée notamment avec de nombreuses caméras vidéo, les matériels informatiques (Wifi, Bluetooth,..), certains matériels industriels (Zigbee), et même des appareils domestiques. Tous ces systèmes sont évidemment nuisibles au bon fonctionnement des systèmes à 2,4 GHz (perte de portée voire même arrêt).
- La bande de 2,4 GHz est située dans le domaine des micro-ondes. Par conséquent, tout système très puissant dans le même domaine peut saturer l'étage d'entrée du récepteur et l'arrêter ponctuellement ou de façon continue. Ces perturbateurs sont aussi bien les radars des militaires et de l'aviation civile que les réémetteurs pour la téléphonie mobile. N. B. : on a ça aussi en 41 MHz avec les cibistes qui émettent dans la bande des 27 MHz …
- La puissance reçue d'un récepteur à une distance donnée est inversement proportionnelle à la fréquence (voir l'article sur la transmission radio). Par conséquent à 2,4 GHz le signal est beaucoup plus faible qu'en 41 MHz et impose donc une antenne parfaite (c'était il y a quelques décennies l'argument pour dénigrer le 72 MHz…). Or les antennes en micro-ondes interagissent avec à peu près tout ce qui est conducteur et de plus de 5 cm de long…Tous les modèles comportant, soit de nombreuses parties métalliques, soit de la fibre de carbone sont donc des modèles à risque. Cela concerne évidemment en particulier les hélicoptères. La meilleure parade est l'antenne rectiligne qui dépasse du fuselage perpendiculairement (comme dans les avions grandeur).
Tout le monde sait que la France est un petit pays qui compte moins de 1% de la population mondiale mais ne fait jamais comme les autres. En conséquence, la bande 2,4 GHz va de 2400 MHz à 2483,5 MHz dans le monde entier, sauf en France, pour une raison inconnue. En France (mais seulement à l'extérieur) la bande est limitée à la plage 2400 MHz à 2453 MHz à la pleine puissance de 100 mW indispensable à notre hobby. Comme il y a une certaine confusion sur les fréquences autorisées, il faut faire très attention. Certains appareils ont un réglage "France/rest of world", d'autres sont strictement pour le marché français, d'autres encore utilisent la bande internationale et certains sont mal programmés... A vous de prendre vos précautions lors de l'achat et la mise en route.
Les nouveaux systèmes à 2,4 GHz définissent une nouvelle méthode de communication caractérisée bien sûr par une meilleure fiabilité, mais aussi par un débit d'information potentiellement beaucoup plus élevé (canaux de 1 MHz au lieu de 10 kHz) pour lequel on trouvera probablement un usage. Autre point bien plus intéressant : ces systèmes sont bidirectionnels. On devrait donc voir arriver des systèmes capables de redescendre des informations très utiles au modéliste (c'est déjà promis par Graupner) comme la charge des batteries, la température du moteur et de la batterie de propulsion, etc.. Ces informations stockées dans des mémoires Flash permettraient aussi un débriefing a posteriori.
Les systèmes à 2,4 GHz sont intrinsèquement moins coûteux à produire que la précédente génération, mais il est peu probable que cela se répercute dans l'immédiat au niveau du modéliste. Toutefois, on remarquera que les prix des nouveaux matériels en 2,4 GHz sont malgré tout à des prix assez raisonnables comparés aux prix des anciens matériels, ce qui est déjà satisfaisant. Cette situation va probablement cantonner les systèmes à fréquence basse (entre 35 et 75 MHz selon les pays) aux ensembles d'entrée de gamme, à moins qu'ils ne disparaissent purement et simplement d'ici quelques années.
Si l'on
dispose déjà d'un bon matériel RC à 41 MHz, il est toutefois peut être
prématuré de passer au 2,4 GHz (à moins d'utiliser des modules HF à 2,4 GHz
pour radio haut de gamme) car l'offre va sans aucun doute fortement évoluer
dans les mois qui viennent. Il est en effet difficile d'imaginer que certains
majors comme MULTIPLEX/HITEC restent hors de la course.
Les standards IFS, FASST et DSM(2) de 2007, ainsi que les autres améliorent tous considérablement la radiocommande ; on peut donc se féliciter.
On regrettera quand même l'utilisation de protocoles propriétaires destinés à garder le client captif, alors qu'un standard ouvert et économique comme ZIGBEE aurait pu être retenu (IFS alias XPS bien que basé sur ZIGBEE y rajoute une surcouche). Ironie du sort, Lextronic qui faisait des systèmes RC français de qualité il y a 40 ans revend maintenant les mêmes modules ZIGBEE (XBEE de la marque MAXSTREAM) qu'utilise IFS, et ce très bon marché (20 € à 30 € en 2007) pour les bricoleurs… C'est au demeurant une opportunité pour Françis Thobois et ses pairs qui peuvent ainsi continuer en amateurs à proposer des systèmes en avance sur les systèmes commerciaux (il en existe déjà !) ; les fabricants ayant parfois tendance à abuser des techniques d'obsolescence contrôlée.
On notera aussi qu'il faut se méfier des publicités qui frisent parfois la publicité mensongère. J'ai lu en effet sur un site officiel de FUTABA que FASST était supérieur aux autres standards car il changeait de fréquence dynamiquement, alors que FASST est obligé de changer de fréquence simplement par ce qu'il ne dispose pas d'étalement direct comme DSM(2) et IFS, et que, de plus, IFS change aussi de fréquence en plus de l'étalement direct... C'est bien regrettable de voir de tels arguments publicitaires visant à berner les non spécialistes alors qu'une concurrence plus "fair play" donnerait ─ à la satisfaction de tous ─ une meilleure image des fabricants de systèmes RC à qui nous consacrons nos économies.
Il est utile enfin de rappeler qu'en étalement de spectre le partage de la même fréquence par plusieurs émetteurs est sans conséquence. En effet, certains s'inquiètent déjà publiquement, à tort, du risque encouru par la sélection automatique malheureuse du même canal de fréquence par deux émetteurs distincts.
P. S. : sur certains forums des informations totalement fausses circulent, comme le fait que l'avenir est au 433 MHz, que SPEKTRUM rayonne 1 W, etc.. Il faut donc rester très prudent sur les écrits des forums car certaines "informations" tournent parfois à la pure calomnie. De plus, les problèmes rencontrés par certains sont des problèmes liés à la radio de façon générale, et parfois même la conséquence d'antennes mal placées (le placement des antennes est critique en 2,4 GHz) ; problèmes imputés à tort (délibérément ou non) à l'un ou l'autre des systèmes à 2,4 GHz. Une chose est malheureusement certaine : des modèles parfaitement pilotés tomberont encore malgré les précautions prises.