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用于 IIoT、RF數(shù)據(jù)和制造控制的SDR
用于 IIoT、RF數(shù)據(jù)和制造控制的SDR
SDR的可重構(gòu)性、低延遲和高性能使其適合工業(yè)4.0應(yīng)用中的無線解決方案。
第四次工業(yè)革命（工業(yè) 4.0）引發(fā)了計(jì)算技術(shù)大量涌入各行業(yè)。這不僅增加了被監(jiān)控設(shè)備和流程的規(guī)模，也暴露了有線通信技術(shù)的局限性。為了克服這些限制，各行業(yè)正在探索無線解決方案，因?yàn)樗鼈兏菀讛U(kuò)展和升級(jí)并且實(shí)施起來更便宜。
本文重點(diǎn)介紹使用軟件定義無線電 (SDR) 作為實(shí)施行業(yè)無線解決方案的解決方案。它探討了這些平臺(tái)的各種性能特征以及它們對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0所需的無線工業(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(tái)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 和無線 IIoT
工業(yè) 4.0 是指各種技術(shù)的融合，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備和過程的智能聯(lián)網(wǎng)。使用無線網(wǎng)絡(luò)，從包括傳感器、執(zhí)行器和可編程邏輯控制器 (PLC) 在內(nèi)的連接設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。處理這些數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和人工智能支持的生產(chǎn)和裝配線。實(shí)現(xiàn)這種互連規(guī)模的主要挑戰(zhàn)之一是當(dāng)今工廠使用的大多數(shù)設(shè)備都使用專用芯片并支持有限數(shù)量的無線協(xié)議。圖 1說明了工業(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通信技術(shù)為主，但許多行業(yè)正在逐漸轉(zhuǎn)向無線技術(shù)。這種轉(zhuǎn)變背后的一些主要因素包括更快的配置、更高的移動(dòng)性以及更低的無線連接安裝和維護(hù)成本。無線 IIoT 提供的互連規(guī)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(guī)模監(jiān)控還有助于預(yù)測設(shè)備和設(shè)備的故障以及預(yù)測性維護(hù)，有助于降低成本并減少計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間。
工業(yè) 4.0 面臨的挑戰(zhàn)
有許多挑戰(zhàn)阻礙了工業(yè) 4.0 的實(shí)現(xiàn)。首先，當(dāng)今行業(yè)中存在許多不可互操作的無線技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0，各行業(yè)需要使用能夠輕松適應(yīng)任何基礎(chǔ)設(shè)施的射頻設(shè)備。這種級(jí)別的適應(yīng)性還要求設(shè)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(fù)雜性隨著連接設(shè)備的數(shù)量而相應(yīng)增加。IIoT 需要先進(jìn)的技術(shù)來解決與延遲相關(guān)的問題并處理資源編排。此外，與當(dāng)今行業(yè)使用的有線連接相比，無線 IIoT 帶來了更多的網(wǎng)絡(luò)安全挑戰(zhàn)。
隨著連接設(shè)備數(shù)量的增加，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將在需要先進(jìn)干擾監(jiān)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，很難使用無線技術(shù)連接位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的行業(yè)，例如石化廠和采礦設(shè)備，因?yàn)闊o線信號(hào)極易受到時(shí)變效應(yīng)引起的衰減。
SDR 的性能特點(diǎn)
SDR 系統(tǒng)利用基于軟件的組件來執(zhí)行廣泛的信號(hào)處理功能。相比之下，傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)使用調(diào)制器、均衡器和編碼器等專用硬件來執(zhí)行這些功能。SDR 平臺(tái)具有處理模擬信號(hào)的無線電前端 (RFE) 和處理數(shù)字信號(hào)的數(shù)字后端。典型 SDR 系統(tǒng)的 RFE 執(zhí)行接收 (Rx) 和發(fā)送 (Tx) 功能，并設(shè)計(jì)為在較寬的頻率范圍內(nèi)工作。
最高性能的 SDR 系統(tǒng)提供高瞬時(shí)帶寬和多個(gè)帶有專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 的獨(dú)立通道。高性能 SDR 系統(tǒng)的數(shù)字后端具有現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)，具有各種板載數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 功能。此外，這些數(shù)字后端經(jīng)過優(yōu)化，可提供超低的確定性延遲。
工業(yè) 4.0 中的無線通信
無線通信技術(shù)在工業(yè)中用于廣泛的應(yīng)用，包括控制機(jī)器、監(jiān)控機(jī)器狀況以及收集和調(diào)整生產(chǎn)過程值。工業(yè)中使用的一些無線技術(shù)包括 Zigbee、WirelessHART 和遠(yuǎn)程廣域網(wǎng)調(diào)制 (LoRa)。
首先，Zigbee 協(xié)議是一種基于 IEEE802.15.4 的標(biāo)準(zhǔn)，允許開發(fā)低速率無線網(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(wěn)健標(biāo)準(zhǔn)，適用于廣泛的工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用。LoRa 是一種低成本無線通信協(xié)議，經(jīng)過優(yōu)化，可用于海上鉆井平臺(tái)和采礦廠等偏遠(yuǎn)行業(yè)。
信號(hào)的傳輸范圍主要由發(fā)射功率和接收機(jī)的靈敏度決定。雖然可以通過簡單地增加發(fā)射功率來實(shí)現(xiàn)更長的范圍，但法規(guī)限制了發(fā)射器的最大功率。此外，低噪聲放大器和天線等組件的成本隨著額定功率的增加而增加。
無線電接收器將感興趣的信號(hào)與在相鄰信道中傳輸?shù)钠渌盘?hào)區(qū)分開來的能力稱為選擇性。射頻系統(tǒng)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(tǒng)對(duì)附近干擾的彈性很大程度上取決于其接收器的前端線性度。為了測量接收器的線性度，將兩個(gè)音調(diào)插入接收鏈并測量三階互調(diào)產(chǎn)物。該產(chǎn)品出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)于兩個(gè)輸入音的頻率間隔三倍的點(diǎn)上。較高的值意味著接收器更線性且不易受互調(diào)失真的影響。圖 2顯示了基本信號(hào)和擴(kuò)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(hào)和三階乘積
使用 SDR 解決工業(yè) 4.0 中的問題
SDR 平臺(tái)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(yùn)行。這些性能特點(diǎn)使其成為涉及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)膽?yīng)用的理想選擇。SDR 平臺(tái)的靈活性允許自適應(yīng)調(diào)整數(shù)據(jù)和控制鏈路以滿足無線電系統(tǒng)的條件。
SDR 平臺(tái)的靈活性允許每個(gè)單獨(dú)的無線鏈路根據(jù)其運(yùn)行條件進(jìn)行定制。它還允許輕松實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，例如跳頻和調(diào)制技術(shù)。此外，在 SDR 中使用基于軟件的組件有助于縮短開發(fā)和評(píng)估工業(yè) 4.0 中使用的新無線電協(xié)議的周期。
通過將計(jì)算密集型任務(wù)卸載到 FPGA 可以加速 SDR 系統(tǒng)的性能。FPGA 具有低延遲，因此可以使用 SDR 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間敏感的無線物聯(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(qiáng)大的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。SDN 是解決延遲相關(guān)問題、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(yīng)對(duì) IIoT 無線鏈路的高不可靠性。借助 SDN，可以根據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)定義要求動(dòng)態(tài)重新配置網(wǎng)絡(luò)。此外，可以通過利用 SDR 平臺(tái)和 IEEE 1588 精確時(shí)間協(xié)議 (PTP) 來實(shí)現(xiàn)用于評(píng)估無線網(wǎng)絡(luò)延遲性能的穩(wěn)健解決方案。
SDR 在工業(yè) 4.0 中的應(yīng)用
現(xiàn)代運(yùn)輸系統(tǒng)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(tǒng)、遠(yuǎn)程系統(tǒng)等廣泛的環(huán)境。SDR 平臺(tái)適用于實(shí)現(xiàn)低延遲、超可靠的通信系統(tǒng)，用于廣泛的車隊(duì)管理應(yīng)用。
SDR 系統(tǒng)的架構(gòu)允許實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 所需的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的物理層。使用 SDR 系統(tǒng)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，與基于專用芯片組的傳統(tǒng)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(kuò)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(tái)的架構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)的通用網(wǎng)關(guān)。
大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用都有嚴(yán)格的延遲和可靠性要求，使用現(xiàn)有的無線技術(shù)很難滿足這些要求。克服這一挑戰(zhàn)的一種方法是將基于專用芯片組的傳統(tǒng)解決方案替換為基于 SDR 平臺(tái)的解決方案。基于 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(jí)性、穩(wěn)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(jié)論
當(dāng)今行業(yè)中廣泛存在的不可互操作的射頻標(biāo)準(zhǔn)阻礙了工業(yè) 4.0 的實(shí)施。這些挑戰(zhàn)需要靈活且可擴(kuò)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(tǒng)的可重構(gòu)性、低延遲和高性能使其成為實(shí)施工業(yè) 4.0 無線解決方案的理想選擇。