如何最大程度的降低無線工業(yè)控制系統(tǒng)中的干擾影響

無線控制無疑為工業(yè)系統(tǒng)帶來了巨大優(yōu)勢，然而隨之而來的一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)也急需克服。 本文審視高可靠性業(yè)控制系統(tǒng)所面臨的極具挑戰(zhàn)性的干擾，以及 Decawave、Linx Technologies、Digi 和 Atmel 的各種收發(fā)器器件和模塊所采用的不同頻率和無線協(xié)議。

有許多不同的方法可以最大程度地降低用于工業(yè)自動化的無線控制系統(tǒng)中的干擾。 設(shè)計(jì)人員可以通過權(quán)衡鏈路預(yù)算、距離、頻率和協(xié)議，以盡可能獲取最可靠的無線鏈路。 干擾來源十分廣泛，可能來自寬帶電氣噪聲，也可能來自其他附近運(yùn)作的無線系統(tǒng)。

協(xié)議是優(yōu)化鏈路的一種方式，用碼分復(fù)用 (CDMA) 方法將丟失符號的影響降至最低。 現(xiàn)在，通常會增加前向糾錯和循環(huán)冗余檢查 (CRC) 功能來保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性，但它們會占用有效載荷中寶貴的字節(jié)數(shù)。

擴(kuò)頻和跳頻技術(shù)也被用來盡可能降低干擾。 在某一頻率范圍內(nèi)擴(kuò)展信號可進(jìn)一步降低任意一個頻率干擾的影響。 或者鏈路可以檢測問題，并自動轉(zhuǎn)移到另一個頻帶，以避免跳頻方案中的干擾。

與此同時，設(shè)計(jì)者可以權(quán)衡通過這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)的距離（對于某些系統(tǒng)最多可以達(dá)到 12 km），以在工廠內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的鏈路預(yù)算，提高對其他信號的抗干擾性。

所有這些技術(shù)都對所使用的頻譜具有連鎖反應(yīng)。 Sub-GHz 868 MHz 和 902 MHz 頻帶擁塞了許多不同類型的鏈路，這意味著擴(kuò)頻或跳頻根本不可行，而 2.4 GHz 頻帶不僅包含低功耗的 ZigBee 協(xié)議，還需為 Wi-Fi 和藍(lán)牙提供空間，也需要消除來自微波爐及其他工業(yè)系統(tǒng)的常見干擾。

在此舉例說明一項(xiàng)挑戰(zhàn)：只有少數(shù)的 ZigBee 通道不與 Wi-Fi 重疊（通道 15、20、25 和 26），因此干擾可忽略不計(jì)，而其余的每個 Wi-Fi 通道都有四個重疊 ZigBee 通道。 PER（分組差錯率）的降低與干擾源和接收器之間的距離以及中心頻率差（干擾源和接收器之間）有密切的關(guān)系，讓使用 2.4GHz 頻帶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面臨巨大挑戰(zhàn)。

Decawave 不是直接去消除干擾，而是結(jié)合使用 3.5 GHz 至 6.5 GHz 頻帶和超寬帶協(xié)議，實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，從而提高抗干擾性。 DecaWave 的 DW1000 芯片是一種完整的單芯片 CMOS 超寬帶 IC，基于 IEEE802.15.4-2011 標(biāo)準(zhǔn)。 它是 ScenSor（尋找控制執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)檢測服從回應(yīng)）部件系列的第一款產(chǎn)品，在 110 kbps、850 kbps 和 6.8 Mbps 的數(shù)據(jù)速率下工作，并且由于更高的頻率，也可以在室內(nèi)外定位帶標(biāo)簽的物體，精度達(dá) 10 cm。

圖 1：DW1000 收發(fā)器框圖。

本技術(shù)不僅可實(shí)現(xiàn)高可靠性鏈路以進(jìn)行精確室內(nèi)定位，還為工廠自動化提供可靠通信，特別是在偏遠(yuǎn)或難以接近的位置。 由于 DW1000 允許同時進(jìn)行精準(zhǔn)的時間測量和數(shù)據(jù)通信，所以在實(shí)時定位系統(tǒng) (RTLS)、室內(nèi)定位系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)過程中，它的應(yīng)用十分廣泛。

工廠自動化設(shè)備供應(yīng)商可以將該技術(shù)融入自動化和監(jiān)控工具，位置精度達(dá) 10 cm，而 Wi-Fi RTLS 的位置精度為 3 至 5 m。 由于使用的頻率更高，因此數(shù)據(jù)速率高達(dá) 6.8 Mbit/s，而 ZigBee 和 Wi-Fi 的數(shù)據(jù)速率分別只有 250 kbit/s 和 1 Mbit/s。

所采用的協(xié)議為 802.15.4a 標(biāo)準(zhǔn)，組合使用突發(fā)位置調(diào)制 (BPM) 和二進(jìn)制相移鍵控 (BPSK)。 BPM-BPSK 組合用于調(diào)制符號，每個符號由一連串超寬帶脈沖組成，可以增強(qiáng)在任一特定頻率下的抗干擾能力。 該芯片還組合六通道頻分多址 (FDMA) 與碼分多址 (CDMA) 技術(shù)，每個通道使用兩種不同的碼元，進(jìn)一步優(yōu)化通道鏈路與降低干擾。 然后再結(jié)合 FEC 和 CRC 糾錯，確保干擾不會影響信號。

此技術(shù)還對多路干擾具有內(nèi)置抗擾功能，因?yàn)槊}沖的頻帶反射較小且更易消散。

DW1000 采用 2.8 V 至 3.6 V 單電源，并具有 31 mA 以上的發(fā)射模式電流和 64 mA 以上的接收模式電流以實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行。

對于 sub-GHz 頻帶，Linx Technologies 已開發(fā)出一種收發(fā)器，用于可靠的長距離遙控和傳感器應(yīng)用。 TRM-900-TT 包含高度優(yōu)化的跳頻擴(kuò)頻 (FHSS) 射頻收發(fā)器和集成的遙控轉(zhuǎn)碼器。 FHSS 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更高的功率，而且干擾更少，因此可以提供比窄頻無線電更長的距離。

此模塊在 902 至 928 MHz 的頻帶中工作，具有 -112 dBm 的典型靈敏度。 基礎(chǔ)版能夠產(chǎn)生 +12.5 dBm 的發(fā)射器輸出功率，在典型 0 dB 增益天線環(huán)境下的工廠鏈路中達(dá)到超過 2 英里（3.2 公里）的傳輸距離。 高功率款輸出功率為 +23.5 dBm，傳輸距離可達(dá) 8 英里（12.8 公里）。

RF 合成器包含 VCO 和低噪聲小數(shù) N 分頻 PLL。 VCO 的運(yùn)行頻率是基礎(chǔ)頻率的兩倍，這樣可以減少容易引起干擾的雜散發(fā)射，因此傳輸距離更長。 接收和發(fā)射合成器經(jīng)過集成，可以自動配置以實(shí)現(xiàn)最佳的相位噪聲、調(diào)制質(zhì)量和穩(wěn)定時間。

接收器集成高效低噪聲放大器，提供高達(dá) -112 dBm 的靈敏度，而且 Linx 已開發(fā)出先進(jìn)的干擾攔截技術(shù)，可以使收發(fā)器在存在 sub-GHz 頻帶的干擾時極其穩(wěn)定可靠。

諸如 Digi 的 XBee 等模塊允許設(shè)計(jì)人員使用 802.15.4 協(xié)議，在 2.4 GHz 和 900 MHz 頻帶間移動。 這些嵌入式射頻模塊擁有多個平臺共享的通用封裝，包括多點(diǎn)和 ZigBee/網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及 2.4 GHz 和 900 MHz 解決方案。 部署 XBee 的開發(fā)人員可以根據(jù)動態(tài)應(yīng)用需求替換 XBee，所需開發(fā)工作極少，2.4 GHz 版本適用于全球部署，900 MHz 版本適用于更長距離或需要更強(qiáng)抗干擾性的環(huán)境。

圖 2：Digi XBee 模塊在 2.4 GHz 和 900 MHz 應(yīng)用中具有相同的基底面。

開發(fā)人員選擇使用此模塊的主要原因是為了規(guī)避干擾。 此模塊不僅可以屏蔽電磁干擾，還能優(yōu)化天線路徑設(shè)計(jì)以降低來自電子裝置其余部分和來自外部的干擾。

Atmel 的 ATZB-S1-256-3-0-C ZigBit 低功率 2.4 GHz 模塊是傳統(tǒng)的 ZigBee 模塊，結(jié)合了低功率 AVR 8 位微控制器和高數(shù)據(jù)速率收發(fā)器，可提供 250 kb/s 至 2 Mb/s 的高數(shù)據(jù)速率、幀處理、高接收靈敏度和高發(fā)射輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的無線通信。 此模塊設(shè)計(jì)用于無線感應(yīng)、監(jiān)控、控制和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。

圖 3：Atmel 的 ATZB-S1-256-3-0-C ZigBit 模塊圖。

為了消除干擾，IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)支持兩個基于 DSSS（直接序列擴(kuò)頻）的 PHY 選項(xiàng)。 2.4 GHz PHY 采用 Q-QPSK 調(diào)制，而 780/868/915 MHz 采用 BPSK（二進(jìn)制相移鍵控）調(diào)制，二者都能提供良好的 BER（比特差錯率）性能。 為了突顯在這些較低頻帶使用跳頻的挑戰(zhàn)，802.15.4 物理層提供了 31 個通道，其中在 780 MHz 頻帶 4 個（面向中國）(802.15.4c)，在 868 MHz 頻帶 1 個（面向歐洲），在 915 MHz 頻帶 10 個（面向北美），在 2.4 GHz 頻帶 16 個（全球范圍）。

有時需要在器件內(nèi)部解決干擾。 Texas Instruments 的 WL1835MOD 在單個器件中結(jié)合了 Wi-Fi MIMO 與藍(lán)牙 4.0 鏈路，因此在管理跨通道干擾時存在關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

圖 4：TI 的 WL1835MOD 能夠消除在同一芯片上運(yùn)行 Wi-Fi 和藍(lán)牙時產(chǎn)生的干擾。

該芯片包括集成的 Wi-Fi 2.4 GHz 功率放大器 (PA)、采用 20 MHz 或 40 MHz SISO（單天線）和 20 MHz MIMO（多天線）設(shè)計(jì)并且能夠處理 802.11b/g 和 802.11n 數(shù)據(jù)速率的基帶處理器，以及藍(lán)牙無線電前端。

為此，需要創(chuàng)新先進(jìn)的共存方案。 此項(xiàng)工作在 MAC 層完成，以實(shí)現(xiàn)在 2.4GHz 頻帶協(xié)調(diào)使用所有帶寬。 在任何時候，所有的可用帶寬可以專用于 802.11 或藍(lán)牙，只要其中一個是空閑狀態(tài)。 例如，當(dāng)未建立藍(lán)牙通信時，全部帶寬均可支持 802.11n 通信，速度高達(dá) 54 Mbit/s。 或者，當(dāng) 802.11 無線電空閑時，2.4 GHz 范圍內(nèi)的全部帶寬均可用于藍(lán)牙通信。 為了確保特定類型的關(guān)鍵通信（主要是音頻通道）質(zhì)量，共存解決方案可以根據(jù)通信的時間敏感特性，智能地設(shè)置不同優(yōu)先級。

結(jié)論

有許多方式可以最大程度地降低干擾的影響：撤離擁塞的頻帶；使用擴(kuò)頻和跳頻技術(shù)；使用更靈敏的接收器、更高功率的發(fā)射器和經(jīng)優(yōu)化可降低外部信號影響的布局，以強(qiáng)化鏈路。 上述方法允許工業(yè)自動化設(shè)備設(shè)計(jì)人員權(quán)衡鏈路預(yù)算與鏈路距離，以便實(shí)施符合需要的高可靠性鏈路。