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面向工業(yè)4.0的強(qiáng)大無線通信

發(fā)布時(shí)間:2022-12-26 來源:Sean O’ Connell 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】工業(yè)4.0或智能工業(yè)被譽(yù)為一場(chǎng)新的工業(yè)革命,其中現(xiàn)有系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)在一起以創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)。第一次工業(yè)革命是不同技術(shù)的融合,使工程師能夠推動(dòng)從手工制品到蒸汽驅(qū)動(dòng)的大規(guī)模制造的轉(zhuǎn)變。今天,它是不同技術(shù)的融合,包括傳感、通信和大數(shù)據(jù)處理,這些技術(shù)被視為工業(yè)4.0的基石。通過增加對(duì)嵌入式系統(tǒng)的連接,從工廠車間到客戶使用的產(chǎn)品,并實(shí)時(shí)提取數(shù)據(jù),理論上可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)30%的效率提升。這些數(shù)據(jù)不僅可以優(yōu)化制造過程,還可以促進(jìn)更好的業(yè)務(wù)決策,并為新型業(yè)務(wù)開辟道路。


工業(yè)4.0或智能工業(yè)被譽(yù)為一場(chǎng)新的工業(yè)革命,其中現(xiàn)有系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)在一起以創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)。第一次工業(yè)革命是不同技術(shù)的融合,使工程師能夠推動(dòng)從手工制品到蒸汽驅(qū)動(dòng)的大規(guī)模制造的轉(zhuǎn)變。今天,它是不同技術(shù)的融合,包括傳感、通信和大數(shù)據(jù)處理,這些技術(shù)被視為工業(yè)4.0的基石。通過增加對(duì)嵌入式系統(tǒng)的連接,從工廠車間到客戶使用的產(chǎn)品,并實(shí)時(shí)提取數(shù)據(jù),理論上可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)30%的效率提升。這些數(shù)據(jù)不僅可以優(yōu)化制造過程,還可以促進(jìn)更好的業(yè)務(wù)決策,并為新型業(yè)務(wù)開辟道路。


工業(yè)4.0的基礎(chǔ)是可靠的通信基礎(chǔ)設(shè)施。此基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)使決策者能夠從機(jī)器、工廠和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中提取數(shù)據(jù)。正如工業(yè)4.0工作組的最終報(bào)告所指出的那樣,正是網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致了“物理世界和虛擬世界(網(wǎng)絡(luò)空間)以網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的形式融合”,并且“可靠,全面和高質(zhì)量的通信網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)4.0的關(guān)鍵要求。


Sub-GHz無線連接已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)公用事業(yè)計(jì)量和遙感,例如結(jié)構(gòu)監(jiān)控。無線設(shè)備(通常由電池供電)使用傳感器來測(cè)量和量化物理世界,并將此數(shù)據(jù)發(fā)送到收集器節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān),在那里可以將其發(fā)送到云進(jìn)行聚合和處理。無線解決方案正在工廠自動(dòng)化領(lǐng)域取得進(jìn)展,預(yù)計(jì)無線設(shè)備的出貨量將增加,以滿足土木工程、農(nóng)業(yè)和環(huán)境以及能源生產(chǎn)和分配的要求。


在設(shè)計(jì)無線系統(tǒng)時(shí),工程師會(huì)考慮許多因素。正如每個(gè)工程師都會(huì)從弗里斯的傳輸方程中回憶起增加范圍一樣,可以更改許多參數(shù),例如增加發(fā)射功率或接收靈敏度或兩者兼而有之。然而,法規(guī)限制了最大發(fā)射功率,高功率天線和外部LNA等組件可能會(huì)大大增加系統(tǒng)成本。因此,在選擇無線接收器時(shí),工程師首先要考慮的是接收靈敏度。然而,僅憑敏感性并不能說明全部情況。


對(duì)于工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的連接,可靠的無線電連接至關(guān)重要。在日益惡劣的射頻環(huán)境中,保持可靠的通信可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn),尤其是在工業(yè)領(lǐng)域。自 1985 年推出以來,未經(jīng)許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 無線電頻段的用戶數(shù)量不斷增加,部署了數(shù)億臺(tái)活動(dòng)設(shè)備。這些無線電必須應(yīng)對(duì)幾個(gè)潛在的干擾源,從無意的RF輻射器到可能在同一頻段工作的其他有源RF設(shè)備,通常使用專有協(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)也意味著更多的節(jié)點(diǎn)在近距離傳輸,因此更需要更好的接收性能。對(duì)干擾源的彈性是非??扇〉摹K梢詼p少所需的轉(zhuǎn)發(fā)器節(jié)點(diǎn)數(shù),并為每個(gè)網(wǎng)關(guān)啟用更多終結(jié)點(diǎn)。這樣可以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和更少的黑點(diǎn)。通過可靠的無線電連接,丟失的數(shù)據(jù)包更少,從而減少數(shù)據(jù)包重傳,使系統(tǒng)整體更高效。


為了了解接收器的性能,我們必須轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)手冊(cè)并檢查選擇性和阻塞數(shù)據(jù)。對(duì)于無線電接收器,RF選擇性是其區(qū)分所需信號(hào)與在其他信道中傳輸?shù)牟恍枰男盘?hào)源的能力。相鄰信道抑制(ACR) 描述了當(dāng)干擾信號(hào)在間隔小于或大于一個(gè)通道的信道中處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí),接收器在一個(gè)信道中接收所需信號(hào)的能力。備用通道是從相鄰?fù)ǖ乐幸瞥粋€(gè)通道。抑制越大,接收器在存在干擾源時(shí)的性能越好。阻塞是指遠(yuǎn)離接收器頻段的干擾源。即使相距幾MHz,高功率干擾源也會(huì)降低通信質(zhì)量并導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失。


實(shí)現(xiàn)良好的阻塞和選擇性數(shù)據(jù)的一個(gè)要素是降低RF系統(tǒng)中的相位噪聲。相位噪聲,即信號(hào)中短期相位波動(dòng)引入的噪聲,可以看作是從頻域中所需信號(hào)擴(kuò)散出去的邊帶。相位噪聲通常相對(duì)于載波進(jìn)行測(cè)量,單位為dBc/Hz,即1 Hz帶寬內(nèi)與載波有指定偏移時(shí)的噪聲功率。如圖1所示,這種噪聲會(huì)影響倒易混頻,并會(huì)提高本底噪聲,從而降低接收機(jī)性能。在接收器中,當(dāng)所需信號(hào)下變頻到用于信號(hào)處理的中頻時(shí),干擾源的尾部可能會(huì)混合,隨后無法濾除。


面向工業(yè)4.0的強(qiáng)大無線通信

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)附近高功率干擾源的彈性。對(duì)于低于1 GHz的無線電網(wǎng)絡(luò),這種干擾源可能是LTE。為了測(cè)量接收器中的線性度,我們轉(zhuǎn)向輸入三階截點(diǎn)(IIP3)。這是通過將兩個(gè)音調(diào)插入接收鏈并測(cè)量以輸入音調(diào)的頻率間隔3×出現(xiàn)的三階互調(diào)產(chǎn)物來測(cè)量的。


ADI公司的ADF7030-1旨在解決可靠連接的挑戰(zhàn)。ADF7030-1是一款sub-GHz、完全集成的無線電收發(fā)器。它適用于在 169.4 MHz 至 169.6 MHz、426 MHz 至 470 MHz 和 863 MHz 至 960 MHz 的 ISM、SRD 和許可頻段內(nèi)運(yùn)行的應(yīng)用。它支持IEEE802.15.4g等基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議,同時(shí)還提供了支持各種專有協(xié)議的靈活性。高度可配置的低中頻(IF) 接收器支持 2.6 kHz 至 738 kHz 的大范圍接收器通道帶寬。此接收器通道帶寬范圍允許ADF7030-1支持超窄帶、窄帶和寬帶通道間隔。它旨在提供一流的阻斷并提供出色的靈敏度。


ADF7030-1采用高性能、低功耗模擬前端(AFE),采用高動(dòng)態(tài)范圍ADC、帶QEC的模擬復(fù)數(shù)抗混疊濾波和數(shù)字通道濾波來消除接收鏈中的無用信號(hào)。利用這些技術(shù),ADF7030-1能夠在±20 MHz失調(diào)時(shí)實(shí)現(xiàn)高達(dá)102 dB的阻塞和高達(dá)66 dB的相鄰?fù)ǖ酪种啤?/p>


為了在所有支持的信號(hào)帶寬和頻段內(nèi)保持高性能接收性能,ADF7030-1采用具有雙頻段LO路徑的可重新配置VLIF接收器架構(gòu)。這使得ADF7030-1能夠支持廣泛的應(yīng)用。


面向工業(yè)4.0的強(qiáng)大無線通信

圖2.ADF7030-1 ACR 與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的比較。


ADF7030-1提供同類最佳的抑制性能,在最大接收器增益下具有–8.5 dBm的IIP3值。這使最終用戶有信心滿足法規(guī)要求,并消除了對(duì)SAW濾波器等昂貴外部組件的需求。此類標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)例子是具有 25 kHz 通道間隔的 ETSI 1 類。這需要60 dB相鄰?fù)ǖ酪种坪?4 dB選擇性。ADF7030-1大大超出了這些要求。


工業(yè) 4.0 要求工程師開發(fā)創(chuàng)新和引人注目的解決方案,以實(shí)現(xiàn)下一代互聯(lián)和智能設(shè)備。ADI公司在管理通信系統(tǒng)的實(shí)際環(huán)境影響方面處于行業(yè)領(lǐng)先地位,50多年來一直致力于設(shè)計(jì)可靠的解決方案來連接物理世界和數(shù)字世界。確保穩(wěn)健可靠的通信是推出互聯(lián)世界以服務(wù)工業(yè)4.0所設(shè)想的物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)的關(guān)鍵。

(作者:Sean O’ Connell)


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