面向工業(yè)4.0的可靠無(wú)線通信

工業(yè)4.0或智能工業(yè)預(yù)示著一場(chǎng)新的工業(yè)革命，現(xiàn)有系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到一起，共同創(chuàng)建信息物理系統(tǒng)。[D1]第一次工業(yè)革命是不同技術(shù)的融合，以支持工程師推動(dòng)手工制造向蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)變。如今的工業(yè)革命則是檢測(cè)[D2]、通信和大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的融合，這些技術(shù)都是工業(yè)4.0的構(gòu)建模塊。[D3]從工廠生產(chǎn)到客戶使用產(chǎn)品，通過(guò)增加嵌入式系統(tǒng)的連接性，并實(shí)時(shí)提取數(shù)據(jù)，理論上效率可提升高達(dá)30%。利用這些數(shù)據(jù)不僅可以優(yōu)化制造流程，而且有助于做出更優(yōu)的業(yè)務(wù)決策，開(kāi)辟新業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

工業(yè)4.0的基礎(chǔ)是可靠的通信基礎(chǔ)設(shè)施。決策者通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施從機(jī)器、工廠和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中提取數(shù)據(jù)。如同[D4]工業(yè)4.0工作組的最終版報(bào)告所指出的那樣，正是網(wǎng)絡(luò)使得[D5]“現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界(信息空間)以信息-物理系統(tǒng)的形式融合”，并且“可靠、全面、高品質(zhì)的通信網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)4.0的關(guān)鍵要求。”

Sub-GHz無(wú)線連接技術(shù)支持自動(dòng)化電力公司電表計(jì)量和遠(yuǎn)程檢測(cè)，如結(jié)構(gòu)監(jiān)控[D6]。通常由電池供電的無(wú)線設(shè)備使用傳感器來(lái)測(cè)量和量化現(xiàn)實(shí)世界，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到收集器節(jié)點(diǎn)[D7]或網(wǎng)關(guān)，并由此發(fā)送到云端進(jìn)行整合和處理。無(wú)線解決方案正步入工廠自動(dòng)化領(lǐng)域，預(yù)計(jì)無(wú)線設(shè)備的出貨量將不斷增加以滿足市政工程、農(nóng)業(yè)和環(huán)境以及能源生產(chǎn)與分配的需求。

工程師在設(shè)計(jì)無(wú)線系統(tǒng)時(shí)需要考慮很多因素。每個(gè)工程師都會(huì)利用弗里斯傳輸方程式，通過(guò)改變?cè)S多參數(shù)，例如提高發(fā)射功率或接收靈敏度或同時(shí)提高兩者，以增加傳輸范圍。[D8]然而，法規(guī)限制[D9]了最大發(fā)射功率，而且高功率天線和外部LNA等組件可能會(huì)大幅增加系統(tǒng)成本。因此，在選擇無(wú)線接收器時(shí)，工程師首先需要關(guān)注的是接收靈敏度。然而，靈敏度本身并不能說(shuō)明整個(gè)情況。

對(duì)于工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的連接來(lái)說(shuō)，可靠的無(wú)線連接至關(guān)重要。在日益惡劣的RF環(huán)境中保持可靠通信將是一個(gè)挑戰(zhàn)，尤其是在工業(yè)領(lǐng)域中。自1985年推出免許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用(ISM)無(wú)線電頻段以來(lái)，越來(lái)越多的用戶不斷在此頻段中部署了數(shù)以億計(jì)的有源設(shè)備。這些無(wú)線電必須面對(duì)多個(gè)潛在的干擾源，從無(wú)意RF輻射器到可能工作于相同頻段的其它有源RF設(shè)備，通常都使用專有協(xié)議。干擾會(huì)嚴(yán)重降低通信范圍。更大、更密集的網(wǎng)絡(luò)也意味著更多的近距離節(jié)點(diǎn)傳輸，因此需要更好的接收性能。迫切需要更強(qiáng)的抗干擾能力。它可以減少所需的中繼器節(jié)點(diǎn)數(shù)量并使每個(gè)網(wǎng)關(guān)可支持更多端點(diǎn)。這使得網(wǎng)絡(luò)覆蓋更可靠且盲點(diǎn)更少。借助可靠的無(wú)線電連接，數(shù)據(jù)包的丟失更少，從而可減少數(shù)據(jù)包的重新傳輸量并提高系統(tǒng)整體效率。

為了解接收器的性能，我們必須查看數(shù)據(jù)手冊(cè)并考察選擇性和阻塞參數(shù)。對(duì)于無(wú)線電接收機(jī)來(lái)說(shuō)，RF選擇性是指從其它通道傳輸?shù)母蓴_信號(hào)源中區(qū)分目標(biāo)信號(hào)的能力。[D10]鄰道抑制(ACR)表示當(dāng)干擾信號(hào)在間隔小于或大于一個(gè)信道的信道中處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，接收機(jī)在信道中接收目標(biāo)信號(hào)的能力。備用信道是從相鄰信道移除的一個(gè)信道。[D12]抑制性能越強(qiáng)，接收機(jī)在存在干擾信號(hào)時(shí)的性能就越好。阻塞是指遠(yuǎn)離接收機(jī)頻帶的干擾信號(hào)。即使相距幾兆赫茲，高功率干擾信號(hào)也會(huì)降低通信質(zhì)量并導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失。

獲得良好的阻塞和選擇性參數(shù)的一個(gè)要素是降低RF系統(tǒng)中的相位噪聲。相位噪聲是信號(hào)中的短期相位波動(dòng)引起的噪聲，它可以看作是從頻域中的目標(biāo)信號(hào)擴(kuò)散出來(lái)的邊帶。相位噪聲通常相對(duì)于載波測(cè)量，以dBc/Hz為單位，即在載波特定偏移位置的1 Hz帶寬的噪聲功率[D13]。相位噪聲會(huì)影響倒易混頻(如圖1所示)和提高本底噪聲，使接收器性能下降。在接受器中，當(dāng)目標(biāo)信號(hào)下變頻至中頻信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，可能會(huì)和干擾信號(hào)的尾部混頻，并且后續(xù)無(wú)法濾除。

圖1.相位噪聲基本理論。

接收器的前端線性度會(huì)影響對(duì)附近高功率干擾信號(hào)的抗干擾能力。對(duì)于低于1 GHz的無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)，這類干擾信號(hào)可能是LTE。我們通過(guò)輸入三階交調(diào)截點(diǎn)(IIP3)來(lái)測(cè)量接收機(jī)的線性度。通過(guò)在接收鏈中插入兩個(gè)信號(hào)音頻，并測(cè)量以輸入音頻的三倍頻率間隔出現(xiàn)的三階交調(diào)產(chǎn)物來(lái)實(shí)現(xiàn)。

ADI公司的ADF7030-1 能夠應(yīng)對(duì)可靠連接這一挑戰(zhàn)。ADF7030-1是一款sub-GHz完全集成式無(wú)線電收發(fā)器。它適合在ISM、SRD以及169.4 MHz至169.6 MHz、426 MHz至470 MHz和863 MHz至960 MHz許可頻段范圍內(nèi)工作的應(yīng)用。它支持IEEE802.15.4g等基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，同時(shí)還靈活地支持眾多專有協(xié)議。高度可配置的低中頻(IF)接收器支持2.6 kHz至738 kHz范圍內(nèi)的各種接收器信道帶寬。因此ADF7030-1支持超窄帶、窄帶和寬帶通道間隔。它提供同類最佳阻塞性能并提供出色的靈敏度。

ADF7030-1的高性能、低功耗模擬前端(AFE)使用[D14]高動(dòng)態(tài)范圍ADC、帶QEC的模擬復(fù)雜抗混疊濾波和數(shù)字通道濾波技術(shù)，以消除接收鏈中的無(wú)用信號(hào)。利用這些技術(shù)，ADF7030-1能夠在±20 MHz偏移時(shí)實(shí)現(xiàn)高達(dá)102 dB的阻塞和高達(dá)66 dB的鄰道抑制。

為了在所有支持的信號(hào)帶寬和頻段內(nèi)保持高接收性能，ADF7030-1采用可重新配置的VLIF接收器架構(gòu)和雙頻段LO路徑。[D15]因而ADF7030-1支持廣泛的應(yīng)用。

圖2.ADF7030-1 ACR與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手產(chǎn)品比較。

ADF7030-1具有同類最佳的抑制性能，在最大接收器增益下的IIP3值為-8.5 dBm。最終用戶完全能夠滿足監(jiān)管要求，[D16]無(wú)需使用SAW濾波器等昂貴的外部元件。這類標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)例子是25 kHz通道間隔的ETSI Class 1。它需要60 dB的鄰道抑制性能和84 dB的選擇性。ADF7030-1明顯超越了上述要求。

工業(yè) 4.0向工程師提出了挑戰(zhàn)，需要開(kāi)發(fā)切實(shí)可行的創(chuàng)新解決方案，以實(shí)現(xiàn)新一代互聯(lián)智能設(shè)備。ADI公司在管理通信系統(tǒng)對(duì)實(shí)際環(huán)境影響方面處于行業(yè)領(lǐng)先地位，50多年來(lái)一直致力于設(shè)計(jì)連接現(xiàn)實(shí)和數(shù)字世界的可靠解決方案。確保魯棒、可靠的通信是推動(dòng)互聯(lián)世界發(fā)展以滿足物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0構(gòu)想服務(wù)需求的關(guān)鍵。