滿足物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0構(gòu)想服務(wù)需求的關(guān)鍵是什么？

Sean O'Connell ADI公司

工業(yè)4.0或智能工業(yè)預(yù)示著一場新的工業(yè)革命，將現(xiàn)有系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起，以創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)化物理系統(tǒng)。第一次工業(yè)革命是不同技術(shù)的融合，以支持工程師推動手工制造向蒸汽機驅(qū)動的大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)變。如今的工業(yè)革命則是傳感網(wǎng)、通信和大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的融合，這些被視為工業(yè)4.0的基石。從工廠生產(chǎn)到客戶使用產(chǎn)品，通過增加嵌入式系統(tǒng)的連接性，并實時提取數(shù)據(jù)，理論上效率可提升高達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。決策者通過基礎(chǔ)設(shè)施從機器、工廠和現(xiàn)場設(shè)備中提取數(shù)據(jù)。正如工業(yè)4.0工作組的最終版報告所指出的那樣，網(wǎng)絡(luò)化是“現(xiàn)實世界和虛擬世界（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?！?/p>

Sub-1GHz無線連接技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了自動化計量和遙感技術(shù)，如結(jié)構(gòu)監(jiān)控。通常由電池供電的無線設(shè)備使用傳感器來測量和量化現(xiàn)實世界，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到集中器或網(wǎng)關(guān)，并由此發(fā)送到云端進行整合和處理。無線解決方案正步入工廠自動化領(lǐng)域，預(yù)計無線設(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)計無線系統(tǒng)時需要考慮很多因素。每個工程師都會利用弗里斯傳輸方程式，通過改變一些參數(shù)來增加傳輸距離，例如提高發(fā)射功率或接收靈敏度，或同時提高這兩參數(shù)。然而，法規(guī)限定了最大發(fā)射功率，而且高功率天線和外部LNA等組件可能會大幅增加系統(tǒng)成本。因此，在選擇無線接收器時，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明整個情況。

對于工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的連接來說，可靠的無線連接至關(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)無線電頻段以來，越來越多的用戶不斷在此頻段中部署了數(shù)以億計的有源設(shè)備。這些無線電必須面對多個潛在的干擾源，從無意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)點傳輸，因此需要更好的接收性能。迫切需要更強的抗干擾能力。它可以減少所需的中繼器節(jié)點數(shù)量并使每個網(wǎng)關(guān)可支持更多端點。這使得網(wǎng)絡(luò)覆蓋更可靠且盲點更少。借助可靠的無線電連接，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)手冊并考察選擇性和阻塞參數(shù)。對于無線電接收機來說，RF選擇性是指將期望信號源與其他信道中傳輸?shù)母蓴_信號源區(qū)分開來的能力。相鄰信道抑制(ACR)描述了當(dāng)干擾信號在間隔目標(biāo)信號信道的上一個或下一個相鄰信道中激活時，接收機在信道中接收目標(biāo)信號的能力。相鄰信道最好不要作為備用信道。抑制性能越強，接收機在存在干擾信號時的性能就越好。阻塞是指遠(yuǎn)離接收機頻帶的干擾信號。即使相距幾兆赫茲，高功率干擾信號也會降低通信質(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)的一個要素是降低RF系統(tǒng)中的相位噪聲。相位噪聲是信號中的短期相位波動引起的噪聲，它可以看作是從頻域中的目標(biāo)信號擴散出來的邊帶。相位噪聲通常相對于載波測量，以dBc/Hz為單位，定義為在間隔載波的某一給定偏移頻率處1Hz帶寬內(nèi)的噪聲功率。相位噪聲會影響倒易混頻（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)信號下變頻至中頻信號進行處理時，可能會和干擾信號的尾部混頻，并且后續(xù)無法濾除。

圖1. 相位噪聲基本理論

接收器的前端線性度會影響對附近高功率干擾信號的抗干擾能力。對于低于1 GHz的無線電網(wǎng)絡(luò)，這類干擾信號可能是LTE。

我們通過輸入三階交調(diào)截點(IIP3)來測量接收機的線性度。通過在接收鏈中插入兩個信號音頻，并測量以輸入音頻的三倍頻率間隔出現(xiàn)的三階交調(diào)產(chǎn)物來實現(xiàn)。

ADI公司的ADF7030-1能夠應(yīng)對可靠連接這一挑戰(zhàn)。ADF7030-1是一款sub-GHz完全集成式無線電收發(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) 采用高動態(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用信號。利用這些技術(shù)，ADF7030-1能夠在±20 MHz偏移時實現(xiàn)高達102 dB的阻塞和高達66 dB的鄰道抑制。

為了在所有支持的信號帶寬和頻段內(nèi)保持高接收性能，ADF7030-1采用具有雙頻LO路徑的可重構(gòu)VLIF接收機架構(gòu)。因而ADF7030-1支持廣泛的應(yīng)用。

圖2. ADF7030-1 ACR與競爭對手產(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。完全能夠滿足終端客戶遇到的法規(guī)監(jiān)管，無需使用SAW濾波器等昂貴的外部元件。這類標(biāo)準(zhǔn)的一個例子是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)，需要開發(fā)切實可行的創(chuàng)新解決方案，以實現(xiàn)新一代互聯(lián)智能設(shè)備。ADI公司在管理通信系統(tǒng)對實際環(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)計連接現(xiàn)實和數(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。