Le B.A-BA des applications A²B

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Au fil de son développement, l’industrie automobile n’a pas manqué de s’approprier des technologies ayant fait leurs preuves dans des marchés adjacents et complémentaires, qu’il s’agisse de l’industrie, de l’électronique grand public ou de la santé. De la révolution qu’a représenté la production en série avec l’adoption des convoyeurs issus de l’industrie minière jusqu’à l’utilisation optimale de la puissance de traitement avec les unités de contrôle électronique (ECU) qui s’appuient depuis plus de 30 ans sur les performances croissantes des microcontrôleurs, les exemples d’emprunts et de transferts de technologie sont trop nombreux pour être cités ici. Aujourd’hui, l’industrie automobile renvoie en quelque sorte l’ascenseur avec une technologie de distribution audio qui présente de solides atouts pour répondre aux attentes d’un large éventail d’applications.

Sous l’appellation A2B® (Automotive Audio Bus), Analog Devices a développé une technologie d’interconnexion par bus numérique bidirectionnel à haut débit qui était initialement conçue pour résoudre les problèmes de distribution audio de l’environnement automobile — un secteur où les réseaux audio existants nécessitaient généralement de nombreuses connexions analogiques point à point. La technologie A²B permet de relever de nombreux défis spécifiques à cette technologie, qu’il s’agisse du poids des câbles, du coût du câblage, des difficultés de routage ou de la fiabilité inhérente à la multiplicité des connexions. De plus, elle permet de transporter des données audio entièrement synchronisées (I²S/TDM/PDM) et des données de contrôle (interface I²C) dans un système audio multinœuds distribué en empruntant une infrastructure de câblage et de connexion à paires torsadées non blindées (UTP). Jusqu’à 32 canaux audio peuvent être pris en charge dans les directions montantes et descendantes, avec une bande passante totale de 50 Mbit/s. En outre, la technologie A²B prend en charge les topologies de réseau point à point, en guirlande et par branche.


Chaque réseau est composé d’un nœud maître et de jusqu’à 10 nœuds esclaves. Le nœud maître contient un émetteur-récepteur A²B relié à un processeur hôte qui peut envoyer des données audio, des données de contrôle et des données I²C sur le bus A²B. Les nœuds esclaves — dont la complexité varie entre les amplificateurs haut de gamme dotés d’une solide puissance de traitement et les réseaux de microphones alimentés par le bus — contiennent des émetteurs-récepteurs A²B qui s’interfacent avec un large éventail de composants tels que des microphones, des processeurs de signal numérique (DSP), des haut-parleurs, des capteurs (accéléromètres) ou des amplificateurs de Classe D. Les émetteurs-récepteurs maîtres et esclaves prennent en charge diverses fonctionnalités supplémentaires, parmi lesquelles les entrées de microphone TDM (multiplexage temporel) ou PDM (modulation à densité d’impulsions). Des versions simplifiées des émetteurs-récepteurs A²B sont disponibles avec différents niveaux de fonctionnalités, à savoir un esclave en extrémité (sans multiplexage TDM), un maître simplifié (longueur de câble réduite, moins d’esclaves), ou un esclave simplifié en extrémité (longueur de câble réduit, moins d’entrées PDM).

Initialement disponible sous la forme d’une gamme limitée de produits réservés au secteur automobile, la technologie A²B a été officiellement ouverte à l’ensemble du marché en 2019, élargissant ainsi l’éventail de ses applications.

Les exemples où le bus A²B a démontré l’étendue de ses possibilités dans l’industrie automobile correspondent étroitement aux nombreuses utilisations dans l’industrie des transports, un domaine qui ne figurait pas parmi les débouchés initiaux du bus A²B. L’un des segments de l’industrie des transports, à savoir la construction et les machines agricoles, connaît un développement technologique rapide. Ces machines constituent le véritable environnement de travail pour leur opérateur. Ainsi, des fonctions telles que la téléphonie mains-libres, l’intégration de plusieurs microphones pour faciliter la formation de faisceaux, des systèmes d’appel d’urgence ou l’annulation du niveau de bruit transforment les machines en un environnement de travail à la fois plus sûr, plus confortable et davantage connecté.

Figure 1. Exemple d’architecture A²B
Figure 1. Exemple d’architecture A²B

Équipées de la technologie de communications intelligentes SMARTCOM d’Antretter & Huber, les cabines conçues par le constructeur allemand Fritzmeier pour des applications industrielles spéciales (hors route) et des véhicules utilitaires tirent parti de l’évolutivité de la technologie A²B. Doté de microphones, de haut-parleurs actifs et d’un module radio intelligent FM/DAB1, le système SMARTCOM simplifie l’intégration de modules tierce partie. Le bus A²B lui permet d’intégrer jusqu’à 10 nœuds esclaves connectés à un nœud maître, ainsi que de prendre en charge le trafic audio bidirectionnel.

Dans le domaine des transports, les autobus, les avions et les trains peuvent à leur tour bénéficier de la technologie A²B. La possibilité de connecter un grand nombre de composants audio disséminés à bord de ces véhicules représente un formidable débouché pour la technologie A²B, avec par exemple la connexion de haut-parleurs distribués au moyen de câbles UTP légers et de faible coût. Il existe en outre d’autres applications plus complexes. Par exemple, la possibilité de prendre en charge jusqu’à 32 canaux audio en liaison descendante (entre le nœud maître et les nœuds esclaves) et en liaison montante (des nœuds esclaves vers le nœud maître) facilite la distribution de différents contenus audio sur un même système. Dans un car de tourisme, cette fonctionnalité permettra notamment de diffuser différents genres musicaux ou des commentaires touristiques en plusieurs langues.
Toujours dans le domaine des transports, la capacité du bus A²B à transmettre des données sur des lignes d’entrée/sortie à usage général (GPIO) non critiques sur une grande distance sera mise à profit dans différentes utilisations. Ainsi, les boutons « arrêt demandé » que l’on trouve dans les autobus peuvent utiliser cette fonction en raison des faibles exigences de traitement induites — une fois la liaison A²B configurée par le nœud maître au moment de l’initialisation, les lignes GPIO fonctionnent sans intervention de l’hôte.

En dehors des transports, de nombreuses normes (AES-67, par exemple) exploitent les technologies Ethernet et IP (protocole Internet) pour transmettre des signaux audio sur différentes distances — des installations domestiques et des petits studios d’enregistrement aux stades et aux centres commerciaux. La technologie A²B ne concurrence pas les technologies basées sur Ethernet qui transmettent des signaux audio sur de longues distances. A contrario, elle doit être considérée comme complémentaire, dans la mesure où ses caractéristiques permettent d’assurer une connectivité de haut niveau entre un réseau dorsal et différents périphériques (microphones, haut-parleurs, etc.).

Dans un stade, par exemple, une technologie Ethernet conforme à la norme AES-67 est extrêmement efficace pour diffuser des messages dans les espaces intérieurs ou entre différents lieux tels que les suites ou les salles de restaurant. Dans ces zones locales, la technologie A²B apporte cependant plusieurs avantages en reliant la technologie Ethernet à la périphérie du réseau. L’émetteur-récepteur A²B est doté d’un contrôleur de réseau intégré et d’une couche physique (PHY). Dans un réseau desservi par un bus A²B, les connecteurs UTP sont peu onéreux et faciles à assembler, et le câblage UTP à la fois économique, flexible et léger. En ce qui concerne le traitement au niveau des nœuds, la technologie A²B est également optimisée grâce à la possibilité d’implémenter un nœud esclave sans utiliser de microcontrôleur.

Figure 2. Utilisation d’un bus A²B pour la connectivité en périphérie de réseau
Figure 2. Utilisation d’un bus A²B pour la connectivité en périphérie de réseau

Le bus A²B a été conçu d’emblée pour présenter des exigences de traitement minimales d’un bout à l’autre du réseau. Lors de l’initialisation du système, l’émetteur-récepteur du nœud A²B maître doit configurer le réseau A²B — une responsabilité qui incombe au contrôleur hôte (tout circuit intégré ou système sur puce doté d’une interface I2C). Une pile logicielle de référence utilisée pour la configuration du réseau est disponible auprès d’ADI au format Linux® ou C embarqué. Une fois le réseau configuré, le seul ajout logiciel dépend de la stratégie de contrôle d’état sélectionnée pour l’application. Grâce à cette approche, la technologie A²B se distingue nettement des autres technologies qui requièrent l’exécution d’une pile logicielle complexe dans chaque nœud connecté au réseau.

Outre sa capacité à délivrer de l’énergie électrique par l’intermédiaire du câblage, les besoins de traitement minimes au niveau des nœuds font de la technologie A²B une solution idéale pour les applications qui nécessitent des nœuds esclaves de conception simplifiée. Dans un studio d’enregistrement, par exemple, plusieurs applications peuvent bénéficier de la prise en charge de ces nœuds de conception alimentés par le bus, qu’il s’agisse des microphones de retour (talkback) ou d’amplification (pickup). En associant des nœuds alimentés par bus à des nœuds alimentés localement, le concepteur peut créer un studio complexe qui utilise le chemin audio numérique 24 bits à 96 kHz fourni par la technologie A²B. La longueur de câble compatible avec le bus A²B peut également être mise à profit dans un studio ou sur une petite scène, par exemple pour raccorder la console de mixage, les retours, les microphones, l’égaliseur ou les amplificateurs.

Figure 3. Architecture de la pile logicielle A²B
Figure 3. Architecture de la pile logicielle A²B

De même, la longueur de câble supportée par le bus A²B convient parfaitement aux systèmes de vidéoconférence désormais incontournables dans toutes les salles de réunion. Ces systèmes nécessitent la connexion de divers organes tels que des microphones, des haut-parleurs et des commandes de mise en sourdine. Les systèmes de vidéoconférence peuvent également profiter de la latence déterministe ultra-faible qu’assure la technologie A²B lorsque des microphones à formation de faisceaux sont utilisés. Le nombre de microphones impliqués, la puissance de traitement disponible et la latence du système jouent sur l’efficacité de mise en œuvre de la formation de faisceaux. La technologie A²B permet d’échanger des données en mode synchrone avec une latence maximale garantie inférieure à 50 µs. De plus, la prise en charge du bus A²B par les lignes GPIO est intéressante dans le cas des systèmes de téléconférence, car elle permet de gérer tout signal auxiliaire (commandes de mise en veille ou indicateurs d’état appel/sourdine, par exemple).

Fort de l’expertise acquise par ADI dans le domaine de la gestion des interférences électromagnétiques et de la compatibilité électromagnétique (IEM/CEM) en environnement automobile, la technologie A²B s’avère intéressante pour les applications chargées de transmettre des données audio non critiques avec fiabilité dans un environnement soumis à d’importantes interférences électromagnétiques. Le bus A²B est conforme à des normes CEM automobiles très strictes, notamment en matière d’émissions, d’immunité et de décharges électrostatiques (ESD), ce qui en fait une solution optimale pour les applications d’avionique et aéronautiques. La conformité des systèmes peut être validée en respectant les directives de conception fondamentales et les conceptions de référence.

Ces topologies de référence représentent un aspect important de l’écosystème sur laquelle une technologie doit s’appuyer pour permettre à ses utilisateurs de simplifier et d’accélérer leur processus de conception. La technologie A²B peut compter sur plusieurs topologies de référence matérielles proposées par Analog Devices et de nombreux partenaires tiers. Parmi les autres éléments traditionnels de l’écosystème, citons la disponibilité d’échantillons, d’une documentation complète et de kits d’évaluation. L’écosystème A²B repose par ailleurs sur trois autres éléments importants : des logiciels, des outils de conception et des partenaires de conception tiers.

Figure 4. Échantillons d’un système d’évaluation A²B.
Figure 4. Échantillons d’un système d’évaluation A²B.

Outre la pile logicielle de référence mentionnée ci-dessus, la technologie A²B peut également compter sur l’outil de développement SigmaStudio® développé par Analog Devices pour piloter les différents aspects du processus d’intégration d’un bus A²B — configuration réseau par glisser-déposer des nœuds A²B et des dispositifs auxiliaires ; configuration des nœuds ; analyse du taux d’erreur binaire ; calcul de la bande passante et calcul de la consommation électrique. L’outil de développement SigmaStudio utilise les données de configuration pour générer des fichiers génériques .c et .h en vue de les intégrer dans la pile logicielle.

Figure 5. Outil de configuration réseau SigmaStudio.
Figure 5. Outil de configuration réseau SigmaStudio.

Des fournisseurs de matériel de test tels que Mentor ou Total Phase sont également membres de l’écosystème A²B auquel ils apportent des produits tels que des analyseurs et des circuits de supervision A²B. Un analyseur A²B peut émuler un nœud maître ou un nœud esclave dans un réseau A²B, ce qui facilite la conception et le prototypage d’un réseau A²B. Un circuit de supervision A²B fonctionne comme un nœud passif sur un réseau A²B et surveille l’ensemble des signaux audio et des données A²B qui traversent le nœud tout en prenant en charge l’entrée et la sortie des signaux audio. Ces outils aident les clients à accélérer la mise sur le marché et à réduire la complexité de leurs projets, tout en accélérant le débogage et l’investigation de problèmes en amont et en aval du lancement d’un projet. La technologie A²B bénéficie de l’appui de plusieurs fournisseurs de services de conception tiers ayant fait leurs preuves en lançant des projets A²B sur le marché. Ces partenaires proposent une gamme de services complète, des modules matériels à l’assistance à la conception de matériels et logiciels sur mesure.

Des facteurs tels que l’écosystème, la compatibilité électromagnétique (EMI/EMC), la longueur des câbles et les exigences de traitement minimales viennent s’ajouter aux capacités de transmission des signaux audio et des données qui ont établi la réputation du bus A²B. Ces facteurs et ces capacités en font une solution séduisante pour un large éventail d’applications et de secteurs d’activité : transport, audiovisuel professionnel, ou production et représentations musicales.

Cinq versions génériques d’émetteurs-récepteurs A²B destinées à un large éventail d’applications ont été mises sur le marché, à savoir deux dispositifs maîtres et trois dispositifs esclaves. Les cinq versions proposées comprennent des sur-ensembles et des sous-ensembles, ainsi qu’un dispositif esclave en extrémité optimisé. Le tableau 1 ci-dessous présente les cinq génériques pris en charge.

Tableau 1. Émetteurs-récepteurs A²B disponibles

Analog Devices propose une gamme complète de cartes d’évaluation qui couvrent les différentes versions d’émetteurs-récepteurs A²B. À ces cartes s’ajoutent d’autres cartes A²B proposées par des concepteurs tiers.

Tableau 2. Cartes d’évaluation A²B

Pour toute information complémentaire à propos de la technologie et des applications A²B visitez le site www.analog.com/a2b.

Joe Triggs, responsable Applications au sein du groupe Automotive Connectivity and Sensing (ACS), Division automobile d’Analog Devices

Source : com-trail.fr