用于 IIoT、RF數據和制造控制的SDR

2022-04-28

用于 IIoT、RF數據和制造控制的SDR

SDR的可重構性、低延遲和高性能使其適合工業(yè)4.0應用中的無(wú)線(xiàn)解決方案。

第四次工業(yè)革命（工業(yè) 4.0）引發(fā)了計算技術(shù)大量涌入各行業(yè)。這不僅增加了被監控設備和流程的規模，也暴露了有線(xiàn)通信技術(shù)的局限性。為了克服這些限制，各行業(yè)正在探索無(wú)線(xiàn)解決方案，因為它們更容易擴展和升級并且實(shí)施起來(lái)更便宜。

本文重點(diǎn)介紹使用軟件定義無(wú)線(xiàn)電 (SDR) 作為實(shí)施行業(yè)無(wú)線(xiàn)解決方案的解決方案。它探討了這些平臺的各種性能特征以及它們對實(shí)現工業(yè)4.0所需的無(wú)線(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT)協(xié)議的適用性。此外，本文還探討了使用 SDR 平臺實(shí)施工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案的一些好處。

工業(yè) 4.0 和無(wú)線(xiàn) IIoT

工業(yè) 4.0 是指各種技術(shù)的融合，以實(shí)現工業(yè)設備和過(guò)程的智能聯(lián)網(wǎng)。使用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，從包括傳感器、執行器和可編程邏輯控制器 (PLC) 在內的連接設備獲取數據。處理這些數據以實(shí)現自動(dòng)化和人工智能支持的生產(chǎn)和裝配線(xiàn)。實(shí)現這種互連規模的主要挑戰之一是當今工廠(chǎng)使用的大多數設備都使用專(zhuān)用芯片并支持有限數量的無(wú)線(xiàn)協(xié)議。圖 1說(shuō)明了工業(yè) 4.0 的廣泛范圍。

盡管工業(yè)環(huán)境中的連接一直以有線(xiàn)通信技術(shù)為主，但許多行業(yè)正在逐漸轉向無(wú)線(xiàn)技術(shù)。這種轉變背后的一些主要因素包括更快的配置、更高的移動(dòng)性以及更低的無(wú)線(xiàn)連接安裝和維護成本。無(wú)線(xiàn) IIoT 提供的互連規模為行業(yè)提供了有助于提高質(zhì)量控制、生產(chǎn)力和業(yè)務(wù)敏捷性的實(shí)時(shí)洞察力。這種大規模監控還有助于預測設備和設備的故障以及預測性維護，有助于降低成本并減少計劃外停機時(shí)間。

工業(yè) 4.0 面臨的挑戰

有許多挑戰阻礙了工業(yè) 4.0 的實(shí)現。首先，當今行業(yè)中存在許多不可互操作的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。為了實(shí)現工業(yè) 4.0，各行業(yè)需要使用能夠輕松適應任何基礎設施的射頻設備。這種級別的適應性還要求設備具有最小和確定的延遲、高干擾魯棒性和高靈活性。

網(wǎng)絡(luò )的復雜性隨著(zhù)連接設備的數量而相應增加。IIoT 需要先進(jìn)的技術(shù)來(lái)解決與延遲相關(guān)的問(wèn)題并處理資源編排。此外，與當今行業(yè)使用的有線(xiàn)連接相比，無(wú)線(xiàn) IIoT 帶來(lái)了更多的網(wǎng)絡(luò )安全挑戰。

隨著(zhù)連接設備數量的增加，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將在需要先進(jìn)干擾監測和緩解技術(shù)的行業(yè)中創(chuàng )造惡劣的射頻環(huán)境。此外，很難使用無(wú)線(xiàn)技術(shù)連接位于偏遠地區的行業(yè)，例如石化廠(chǎng)和采礦設備，因為無(wú)線(xiàn)信號極易受到時(shí)變效應引起的衰減。

SDR 的性能特點(diǎn)

SDR 系統利用基于軟件的組件來(lái)執行廣泛的信號處理功能。相比之下，傳統無(wú)線(xiàn)電系統使用調制器、均衡器和編碼器等專(zhuān)用硬件來(lái)執行這些功能。SDR 平臺具有處理模擬信號的無(wú)線(xiàn)電前端 (RFE) 和處理數字信號的數字后端。典型 SDR 系統的 RFE 執行接收 (Rx) 和發(fā)送 (Tx) 功能，并設計為在較寬的頻率范圍內工作。

最高性能的 SDR 系統提供高瞬時(shí)帶寬和多個(gè)帶有專(zhuān)用模數轉換器 (ADC) 和數模轉換器 (DAC) 的獨立通道。高性能 SDR 系統的數字后端具有現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA)，具有各種板載數字信號處理 (DSP) 功能。此外，這些數字后端經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可提供超低的確定性延遲。

工業(yè) 4.0 中的無(wú)線(xiàn)通信

無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在工業(yè)中用于廣泛的應用，包括控制機器、監控機器狀況以及收集和調整生產(chǎn)過(guò)程值。工業(yè)中使用的一些無(wú)線(xiàn)技術(shù)包括 Zigbee、WirelessHART 和遠程廣域網(wǎng)調制 (LoRa)。

首先，Zigbee 協(xié)議是一種基于 IEEE802.15.4 的標準，允許開(kāi)發(fā)低速率無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )。該協(xié)議支持分布式和集中式安全模型。WirelessHART 是基于 802.15.4 協(xié)議的穩健標準，適用于廣泛的工業(yè)自動(dòng)化應用。LoRa 是一種低成本無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可用于海上鉆井平臺和采礦廠(chǎng)等偏遠行業(yè)。

信號的傳輸范圍主要由發(fā)射功率和接收機的靈敏度決定。雖然可以通過(guò)簡(jiǎn)單地增加發(fā)射功率來(lái)實(shí)現更長(cháng)的范圍，但法規限制了發(fā)射器的最大功率。此外，低噪聲放大器和天線(xiàn)等組件的成本隨著(zhù)額定功率的增加而增加。

無(wú)線(xiàn)電接收器將感興趣的信號與在相鄰信道中傳輸的其他信號區分開(kāi)來(lái)的能力稱(chēng)為選擇性。射頻系統中相位噪聲的存在會(huì )極大地影響其整體性能。這種噪聲主要源于短期相位波動(dòng)，減少它有助于提高選擇性。

射頻系統對附近干擾的彈性很大程度上取決于其接收器的前端線(xiàn)性度。為了測量接收器的線(xiàn)性度，將兩個(gè)音調插入接收鏈并測量三階互調產(chǎn)物。該產(chǎn)品出現在對應于兩個(gè)輸入音的頻率間隔三倍的點(diǎn)上。較高的值意味著(zhù)接收器更線(xiàn)性且不易受互調失真的影響。圖 2顯示了基本信號和擴展為在三階交點(diǎn) (IP3) 處相交的三階乘積。

圖 2：在三階截取點(diǎn)處相交的基本信號和三階乘積

使用 SDR 解決工業(yè) 4.0 中的問(wèn)題

SDR 平臺可輕松與廣泛的射頻通信技術(shù)集成，并可跨多個(gè)頻率通道運行。這些性能特點(diǎn)使其成為涉及實(shí)時(shí)數據采集和傳輸的應用的理想選擇。SDR 平臺的靈活性允許自適應調整數據和控制鏈路以滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)電系統的條件。

SDR 平臺的靈活性允許每個(gè)單獨的無(wú)線(xiàn)鏈路根據其運行條件進(jìn)行定制。它還允許輕松實(shí)現各種數字信號處理技術(shù)，例如跳頻和調制技術(shù)。此外，在 SDR 中使用基于軟件的組件有助于縮短開(kāi)發(fā)和評估工業(yè) 4.0 中使用的新無(wú)線(xiàn)電協(xié)議的周期。

通過(guò)將計算密集型任務(wù)卸載到 FPGA 可以加速 SDR 系統的性能。FPGA 具有低延遲，因此可以使用 SDR 平臺實(shí)現對時(shí)間敏感的無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )。將 SDR 與軟件定義的網(wǎng)絡(luò ) (SDN) 集成可產(chǎn)生強大的工業(yè)自動(dòng)化系統。SDN 是解決延遲相關(guān)問(wèn)題、資源編排和網(wǎng)絡(luò )管理的可靠解決方案。需要頻繁更新路由以應對 IIoT 無(wú)線(xiàn)鏈路的高不可靠性。借助 SDN，可以根據實(shí)時(shí)預定義要求動(dòng)態(tài)重新配置網(wǎng)絡(luò )。此外，可以通過(guò)利用 SDR 平臺和 IEEE 1588 精確時(shí)間協(xié)議 (PTP) 來(lái)實(shí)現用于評估無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )延遲性能的穩健解決方案。

SDR 在工業(yè) 4.0 中的應用

現代運輸系統需要高性能的通信解決方案，這些解決方案可用于高速系統、遠程系統等廣泛的環(huán)境。SDR 平臺適用于實(shí)現低延遲、超可靠的通信系統，用于廣泛的車(chē)隊管理應用。

SDR 系統的架構允許實(shí)現工業(yè) 4.0 所需的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的物理層。使用 SDR 系統和 GNU Radio，可以快速且低成本地制作諸如 WirelessHART 等協(xié)議的原型。此外，與基于專(zhuān)用芯片組的傳統實(shí)施不同，基于 SDR 的解決方案可以進(jìn)行優(yōu)化，以提供更好的延遲和可靠性性能。

工業(yè) 4.0 需要靈活且可擴展的解決方案，這些解決方案可與廣泛的射頻協(xié)議互操作。SDR 平臺的架構和靈活性允許以低成本快速實(shí)施 RF 協(xié)議和 DSP 算法，從而使其適合用作工業(yè) 4.0 標準的通用網(wǎng)關(guān)。

大多數工業(yè)應用都有嚴格的延遲和可靠性要求，使用現有的無(wú)線(xiàn)技術(shù)很難滿(mǎn)足這些要求?？朔@一挑戰的一種方法是將基于專(zhuān)用芯片組的傳統解決方案替換為基于 SDR 平臺的解決方案?；?span> SDR 的解決方案提供超低的確定性延遲和高可靠性。此外，與專(zhuān)用芯片組相比，具有嵌入式 FPGA 的 SDR 具有更大的靈活性、可升級性、穩健性、可重用性，并且通?？勺鳛楦鞣N工業(yè) 4.0 協(xié)議的通用網(wǎng)關(guān)。

結論

當今行業(yè)中廣泛存在的不可互操作的射頻標準阻礙了工業(yè) 4.0 的實(shí)施。這些挑戰需要靈活且可擴展的解決方案，這些解決方案可以輕松與廣泛的技術(shù)集成。SDR 系統的可重構性、低延遲和高性能使其成為實(shí)施工業(yè) 4.0 無(wú)線(xiàn)解決方案的理想選擇。