Spécifications

Le Bluetooth est un standard de l’industrie des télécommunications nommé 802.15 par L’IEEE, organisme chargé de coucher sur papier les normes informatiques utilisées par les industriels à l’échelon mondial. L’IEEE garantit qu’un matériel étiqueté du nom de la norme satisfait bien aux exigences de celle-ci afin d’assurer l’interopérabilité et en général l’universalité d’une technologie. Pour assurer la compatibilité entre les matériels, la spécification définit toute la pile de protocoles et les services utilisés par Bluetooth.

Système en couches

Le transport de données en Bluetooth utilise une architecture en couches. Les deux premières couches correspondent au niveau le plus bas de la transmission. La couche physique s’occupe du transfert des bits par modulation de fréquence, des sauts de fréquence, de la détection, etc. La couche logique, séparée en deux couches lien et transport, distingue quant à elle un lien logique utilisé pour des transports indépendants entre deux ou plusieurs périphériques.

Les couches physiques

Cette partie du protocole Bluetooth prend en charge la partie matérielle de la transmission. La couche physique rassemble deux couches, la couche RF et la couche bande de base.

La couche RF est la plus basse. C’est à son niveau que les flux de données sont transformés afin d’être émis sur le support de transmission et les fréquences reçues transformées en bits.

Concrètement, la technologie Bluetooth utilise, pour la transmission sur courtes distances, les ondes radio de la bande des 2.4 GHz. Pour améliorer les transmissions, elle utilise des sauts entre 79 fréquences différentes dans sa bande de fréquence (2.4 à 2.4835 GHz) grâce à la technique FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) et engage ainsi jusqu’à 1600 échanges par seconde en full-duplex.

Les techniques de modulation varient en fonction de la norme employée. Dans la norme de base, Basic Rate pour le Bluetooth version 1.x, les débits autorisés sont de 1 Mbit/s en modulation GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). Avec les dernières améliorations de Bluetooth en version 2.x + EDR (pour Enhanced Data Rate), en modulation π/4 DQPSK, les débits atteignent 2 Mbit/s et 3 Mbit/s en modulation 8DPSK.

Les portées sont fonction de la classe (liées à la taille et la puissance du matériel), de 10 mètres pour les périphériques de classe II (émetteur de 2.5 mW) à 100 mètres pour les périphériques de classe I (émetteur de 100 mW).

Les modulations fondamentales

Aucune modulation

Est-il possible de transmettre un signal audio par onde hertzienne sans modulations ? Les ondes sonores seraient alors converties en ondes radio de même fréquence. Nous irions au-devant de plusieurs problèmes :

• les fréquences sonores s’étaleraient de 20 Hz à 20 KHz, les ondes radio basse fréquence seraient très difficiles à produire et à capter
• et surtout toutes les émissions radio utiliseraient les mêmes bandes de fréquence (de 20 Hz à 20 KHz). Ce serait la cacophonie.

Modulation d’amplitude

Pour résoudre ce problème, on utilise la modulation d’amplitude. On émet une onde radio de fréquence fixe, appelée porteuse, dont on module l’amplitude en fonction de l’onde sonore. Ce n’est possible que si l’onde porteuse a une fréquence bien plus élevée que l’onde source (loi de Shannon Fe <= 2 Fmax). L’avantage est que l’on peut alors choisir les différentes fréquences des signaux porteurs (en faisant bien attention que les fréquences ne se chevauchent pas). C’est ce qu’on appelle le multiplexage fréquentiel ; il permet d’émettre plusieurs émissions en même temps sur des fréquences différentes. Le récepteur n’a plus qu’à sélectionner un canal (la fréquence d’une des porteuses) et à démoduler le signal pour écouter son émission. C’est ce que vous faites lorsque vous choisissez une radio AM (Amplitude Modulation) sur votre poste de radio.

Modulation de fréquence

C’est la modulation utilisée par les radios FM. L’amplitude de l’onde radio émise ne change pas, c’est la fréquence de l’onde porteuse qui est modulée de façon proportionnelle par rapport au signal source. Le même système de multiplexage fréquentiel permet d’émettre plusieurs émissions simultanées sur plusieurs fréquences et de recevoir une émission précise en choisissant sa porteuse de réception.

Modulation de phase

La phase d’une onde représente sa position dans le temps. Le signal émis aura donc une amplitude et une fréquence toujours identiques. Cependant, on modulera la phase de l’onde en fonction du signal source.

Pour résumer :

L’AM est simple à mettre en œuvre, elle occupe une bande de fréquence réduite. La FM a besoin d’une bande large qu’elle occupe complètement. La FM peut être utilisée à des puissances très faibles, alors que l’AM nécessite plus de puissance pour que ces modulations soient perceptibles. La FM est moins sensible aux variations de puissance dues aux obstacles et interférences puisque les variations de l’intensité du signal ne sont pas prises en compte par le récepteur au cours de la démodulation.

L’AM est préférée pour les communications de longue distance (basse fréquence et puissance élevée) et la FM est préférée pour les transmissions en milieu urbain (résistance aux interférences). La comparaison de ces modes de modulation permet de comprendre l’impact de la modulation sur la portée et le débit de la transmission.

Modulation simple ASK, FSK et PSK

Lorsque l’on veut transmettre des informations numériques comme en Bluetooth (des 0 et des 1), on peut utiliser les modulations AM, FM ou PM. On parle alors de codage (Keying).

Pour l’AM, on choisira deux amplitudes, une pour les 0, l’autre pour les 1 : l’ASK (Amplitude-Shift Keying) codage par décalage d’amplitude, très sensible aux bruits et interférences.

Pour la FM, on émettra une fréquence élevée pour les 0 et une autre beaucoup plus faible pour les 1 : FSK (Frequency-Shift Keying), c’est la technique utilisée par le wifi.

Pour la PM : pas de changement de phase (0°) indiquera les 0, et un changement de phase (180°) les 1.

Modulation différentielles : DPSK

Dans cette technique, on ne prend pas les valeurs absolues des changements de phase mais la variation par rapport aux messages précédemment reçus. Aucun changement de phase signifie 0 et un changement de 180 ° signifie 1. On peut appliquer la même logique à l’ASK et au FSK.

L’avantage est qu’elles sont plus simples à mettre en œuvre que les systèmes absolus car le récepteur peut se calibrer à tout instant sur le signal. En revanche, elles sont souvent moins performantes en environnement bruyant.

Symboles à bits multiples : QPSK, QAM...

Pour améliorer le débit avec le PSK, on va non plus coder 1 bit pour un changement de phase mais 2 à la fois. Il nous faudra alors choisir 4 valeurs de phases différentes qui coderont chacune un groupe de 2 bits appelé alors symbole. (00 = 0° ; 01 = 90°, 10 = 180°, 11 = 270°) Ce qui double naturellement le débit. Cette technique s’appelle le QPSK ou 4 PSK (Quadrature PSK).

On peut aller encore plus loin en combinant le PSK et la modulation d’amplitude pour coder encore plus de bits d’information composant un symbole. C’est la technique du QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Par exemple, avec un QPSK (à 4 phases possibles) et 2 amplitudes possibles pour chaque phase, on aura 8 combinaisons possibles et des symboles à 3 bits (23=8). Méthode nommée 8QAM. Le wifi, lui, utilise la méthode du 16QAM (12 phases possibles dont quatre pour lesquelles deux amplitudes sont possibles) avec 4 bits par symbole. On peut trouver du 64QAM avec 6 bits par symbole. Le QAM requiert un matériel sophistiqué.

GFSK : Filtre gaussien

La technique du filtre gaussien consiste à lisser le signal source ce qui permet de diminuer les harmoniques des fréquences émises afin de diminuer considérablement les interférences d’un canal avec ses voisins : GFSK. C’est la modulation utilisée par le Bluetooth en version 1.x.

π/4 DQPSK

Dernière version de la modulation QPSK. On choisit 8 valeurs de phase pour représenter les symboles. En réalité, deux diagrammes de phase sont superposés, l’un des deux ayant subit une rotation de 45°, π/4 étant l’amplitude de fluctuations de l’une à l’autre. Le débit pour le Bluetooth atteint ainsi 2 Mbit/s

8DPSK

Dans cette modulation, la plus complexe des modulations PSK utilisée, on choisit toujours 8 valeurs de phase mais chaque symbole code 3 bits. D’où un débit augmenté. En Bluetooth, le débit atteint 3 Mbit/s.

Le principe est assez simple : une large bande de fréquence est divisée en de multiples canaux et les communications se font en sautant successivement d’un canal à un autre, selon une séquence et un rythme convenus à l’avance entre l’émetteur et le récepteur

Dans cette technique, la bande de fréquence des 2.4 GHz (2.400 GHz à 2.4835 GHz) est découpée en canaux de 1 MHz de largeur chacun. En France, les canaux 2 à 80 sont autorisés (2401 MHz à 2480 MHz), d’où les 79 fréquences possibles. Au sein de chaque canal, la modulation gaussienne FSK à deux états (2GFSK) est utilisée et permet un débit de 1 Mb/s par canal. En utilisant π/4 DQPSK, on atteint 2 Mb/s et 3Mb/s en 8DPSK.

Un récepteur qui entre sur le réseau se synchronise avec l’émetteur en recevant une trame balise lui indiquant la séquence des sauts et leur durée. Leur conversation peut ensuite continuer.

Cette technique est très résistante aux interférences car un sous-canal pour lequel le signal est mauvais va pouvoir être évité afin de n’utiliser que ceux dont la réception est optimale. L’autre avantage est qu’on peut avoir plusieurs communications simultanées sur les mêmes canaux tant que leurs séquences ne tombent par sur le même sous-canal à un moment donné. C’est pour cela que les séquences sont prédéfinies.

La version 802.11 FHSS n’est pratiquement plus utilisée pour le wifi. En revanche le Bluetooth l’utilise dans à peu près les mêmes fréquences. C’est pourquoi il peut brouiller le wifi.