Les puces de communication, également appelées RFIC (Radio Frequency Integrated Circuits), sont des circuits intégrés spécialisés dans la production, la transmission, la réception et le traitement des signaux radio. Elles permettent aux appareils électroniques de communiquer sans liaison filaire en utilisant des ondes électromagnétiques.

On les retrouve dans les téléphones mobiles, les routeurs Wi-Fi, les télécommandes, les objets connectés, les satellites, les véhicules, les drones, les systèmes GPS, les équipements industriels et de nombreux appareils domestiques.

Le principe de fonctionnement

Une puce de communication transforme les informations numériques provenant d'un microcontrôleur ou d'un processeur en un signal radio pouvant être transmis par une antenne.

À la réception, elle effectue l'opération inverse : elle capte les ondes radio reçues par l'antenne, les amplifie, les filtre, puis les convertit en données numériques exploitables par le reste du système.

La même puce peut souvent assurer simultanément l'émission et la réception des signaux.

Les ondes radio

Les RFIC utilisent des ondes électromagnétiques appartenant au domaine des radiofréquences.

Selon les applications, les fréquences utilisées vont de quelques dizaines de kilohertz jusqu'à plusieurs dizaines de gigahertz.

Chaque système de communication utilise des bandes de fréquences qui lui sont attribuées afin de limiter les interférences avec les autres services radio.

L'émetteur radio

Lorsqu'un appareil doit transmettre des informations, la puce génère un signal de radiofréquence appelé porteuse.

Les données à transmettre modifient ensuite cette porteuse selon différentes techniques de modulation.

Le signal obtenu est amplifié avant d'être envoyé vers l'antenne, qui le rayonne sous forme d'ondes électromagnétiques.

Par exemple, lorsqu'un smartphone envoie un message, les données sont transformées en un signal radio transmis vers l'antenne-relais la plus proche.

Le récepteur radio

Lorsqu'une onde radio atteint l'antenne, celle-ci la convertit en un très faible signal électrique.

La puce RF commence par amplifier ce signal, puis élimine les fréquences indésirables grâce à différents filtres.

Elle extrait ensuite les informations utiles avant de les convertir en données numériques destinées au processeur.

Cette opération doit être réalisée avec une très grande sensibilité afin de détecter des signaux parfois extrêmement faibles.

La modulation

Pour transmettre des informations, il est nécessaire de modifier une onde porteuse.

Cette opération est appelée la modulation.

Selon les applications, la puce peut faire varier l'amplitude, la fréquence ou la phase de la porteuse.

Les systèmes modernes utilisent souvent des modulations numériques complexes permettant de transmettre un très grand nombre d'informations tout en limitant les erreurs de transmission.

Les oscillateurs et les synthétiseurs de fréquence

Les RFIC contiennent un ou plusieurs oscillateurs produisant les fréquences de référence nécessaires au fonctionnement du circuit.

Ces oscillateurs sont généralement associés à un quartz garantissant une excellente stabilité.

Un synthétiseur de fréquence permet ensuite de générer précisément les différentes fréquences utilisées pour l'émission et la réception.

Cette technique permet à un appareil de changer rapidement de canal radio.

Les amplificateurs radio

Les puces de communication comportent plusieurs amplificateurs spécialisés.

L'amplificateur faible bruit (LNA pour Low Noise Amplifier) amplifie les signaux reçus tout en ajoutant le moins de bruit possible.

L'amplificateur de puissance (PA pour Power Amplifier) augmente l'énergie du signal avant son émission afin qu'il puisse être reçu à grande distance.

Les filtres radio

Les signaux radio sont souvent mélangés à de nombreuses autres émissions.

Des filtres très sélectifs permettent d'éliminer les fréquences indésirables avant leur traitement.

Ils améliorent la qualité de réception et réduisent les interférences provenant des autres systèmes de communication.

Les protocoles de communication

Une même puce peut être compatible avec différents protocoles radio.

Le Bluetooth permet de relier des écouteurs, des claviers, des montres connectées ou des capteurs à courte distance.

Le Wi-Fi assure des communications rapides entre les appareils et les réseaux informatiques.

Les réseaux 4G et 5G permettent aux téléphones mobiles d'accéder aux réseaux cellulaires sur de longues distances.

Le NFC est utilisé pour les paiements sans contact, les badges électroniques et certaines communications de proximité.

Les protocoles Zigbee, Thread ou LoRa sont largement employés dans les objets connectés et les réseaux de capteurs.

Les systèmes GPS

Certaines puces RF sont spécialisées dans la réception des signaux de navigation par satellite.

Elles reçoivent simultanément les signaux provenant de plusieurs satellites et calculent très précisément la position de l'appareil.

Les récepteurs modernes sont souvent compatibles avec plusieurs constellations, comme GPS, Galileo, GLONASS ou BeiDou.

Les systèmes SoC radio

Les circuits modernes regroupent souvent plusieurs fonctions dans une seule puce.

Un même composant peut intégrer un microcontrôleur, une mémoire, un convertisseur analogique-numérique, un convertisseur numérique-analogique et plusieurs modules de communication radio.

Ces systèmes sur puce (SoC) réduisent la consommation électrique, l'encombrement et le coût des appareils électroniques.

Quelques puces célèbres

Les modules ESP8266 et ESP32 intègrent un microcontrôleur ainsi qu'une interface Wi-Fi, et pour l'ESP32, une interface Bluetooth. Ils sont très utilisés dans les projets d'objets connectés.

Les circuits nRF52 de Nordic Semiconductor sont spécialisés dans les communications Bluetooth Low Energy.

Les familles CC1101 et CC2500 de Texas Instruments sont utilisées pour les liaisons radio à courte distance.

Les puces SX1276 et SX1262 de Semtech équipent de nombreux systèmes LoRa destinés aux communications longue portée à faible consommation.

Les smartphones modernes utilisent enfin des circuits RF extrêmement complexes regroupant plusieurs dizaines de fonctions afin de gérer simultanément les réseaux cellulaires, le Wi-Fi, le Bluetooth, le GPS et parfois même les communications par satellite.