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用于 IIoT、RF數據和制造控制的SDR
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應用中的無線解決方案。
第四次工業(yè)革命（工業(yè) 4.0）引發(fā)了計算技術大量涌入各行業(yè)。這不僅增加了被監(jiān)控設備和流程的規(guī)模，也暴露了有線通信技術的局限性。為了克服這些限制，各行業(yè)正在探索無線解決方案，因為它們更容易擴展和升級并且實施起來更便宜。
本文重點介紹使用軟件定義無線電 (SDR) 作為實施行業(yè)無線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現(xiàn)工業(yè)4.0所需的無線工業(yè)物聯(lián)網 (IIoT)協(xié)議的適用性。此外，本文還探討了使用 SDR 平臺實施工業(yè)物聯(lián)網解決方案的一些好處。
工業(yè) 4.0 和無線 IIoT
工業(yè) 4.0 是指各種技術的融合，以實現(xiàn)工業(yè)設備和過程的智能聯(lián)網。使用無線網絡，從包括傳感器、執(zhí)行器和可編程邏輯控制器 (PLC) 在內的連接設備獲取數據。處理這些數據以實現(xiàn)自動化和人工智能支持的生產和裝配線。實現(xiàn)這種互連規(guī)模的主要挑戰(zhàn)之一是當今工廠使用的大多數設備都使用專用芯片并支持有限數量的無線協(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為主，但許多行業(yè)正在逐漸轉向無線技術。這種轉變背后的一些主要因素包括更快的配置、更高的移動性以及更低的無線連接安裝和維護成本。無線 IIoT 提供的互連規(guī)模為行業(yè)提供了有助于提高質量控制、生產力和業(yè)務敏捷性的實時洞察力。這種大規(guī)模監(jiān)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 的實現(xiàn)。首先，當今行業(yè)中存在許多不可互操作的無線技術。為了實現(xiàn)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。
網絡的復雜性隨著連接設備的數量而相應增加。IIoT 需要先進的技術來解決與延遲相關的問題并處理資源編排。此外，與當今行業(yè)使用的有線連接相比，無線 IIoT 帶來了更多的網絡安全挑戰(zhàn)。
隨著連接設備數量的增加，工業(yè)物聯(lián)網將在需要先進干擾監(jiān)測和緩解技術的行業(yè)中創(chuàng)造惡劣的射頻環(huán)境。此外，很難使用無線技術連接位于偏遠地區(qū)的行業(yè)，例如石化廠和采礦設備，因為無線信號極易受到時變效應引起的衰減。
SDR 的性能特點
SDR 系統(tǒng)利用基于軟件的組件來執(zhí)行廣泛的信號處理功能。相比之下，傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)使用調制器、均衡器和編碼器等專用硬件來執(zhí)行這些功能。SDR 平臺具有處理模擬信號的無線電前端 (RFE) 和處理數字信號的數字后端。典型 SDR 系統(tǒng)的 RFE 執(zhí)行接收 (Rx) 和發(fā)送 (Tx) 功能，并設計為在較寬的頻率范圍內工作。
最高性能的 SDR 系統(tǒng)提供高瞬時帶寬和多個帶有專用模數轉換器 (ADC) 和數模轉換器 (DAC) 的獨立通道。高性能 SDR 系統(tǒng)的數字后端具有現(xiàn)場可編程門陣列 (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
無線通信技術在工業(yè)中用于廣泛的應用，包括控制機器、監(jiān)控機器狀況以及收集和調整生產過程值。工業(yè)中使用的一些無線技術包括 Zigbee、WirelessHART 和遠程廣域網調制 (LoRa)。
首先，Zigbee 協(xié)議是一種基于 IEEE802.15.4 的標準，允許開發(fā)低速率無線網狀網絡。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)健標準，適用于廣泛的工業(yè)自動化應用。LoRa 是一種低成本無線通信協(xié)議，經過優(yōu)化，可用于海上鉆井平臺和采礦廠等偏遠行業(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。雖然可以通過簡單地增加發(fā)射功率來實現(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與在相鄰信道中傳輸的其他信號區(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極大地影響其整體性能。這種噪聲主要源于短期相位波動，減少它有助于提高選擇性。
射頻系統(tǒng)對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，將兩個音調插入接收鏈并測量三階互調產物。該產品出現(xiàn)在對應于兩個輸入音的頻率間隔三倍的點上。較高的值意味著接收器更線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 (IP3) 處相交的三階乘積。
圖 2：在三階截取點處相交的基本信號和三階乘積
使用 SDR 解決工業(yè) 4.0 中的問題
SDR 平臺可輕松與廣泛的射頻通信技術集成，并可跨多個頻率通道運行。這些性能特點使其成為涉及實時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足無線電系統(tǒng)的條件。
SDR 平臺的靈活性允許每個單獨的無線鏈路根據其運行條件進行定制。它還允許輕松實現(xiàn)各種數字信號處理技術，例如跳頻和調制技術。此外，在 SDR 中使用基于軟件的組件有助于縮短開發(fā)和評估工業(yè) 4.0 中使用的新無線電協(xié)議的周期。
通過將計算密集型任務卸載到 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 平臺實現(xiàn)對時間敏感的無線物聯(lián)網網絡。將 SDR 與軟件定義的網絡 (SDN) 集成可產生強大的工業(yè)自動化系統(tǒng)。SDN 是解決延遲相關問題、資源編排和網絡管理的可靠解決方案。需要頻繁更新路由以應對 IIoT 無線鏈路的高不可靠性。借助 SDN，可以根據實時預定義要求動態(tài)重新配置網絡。此外，可以通過利用 SDR 平臺和 IEEE 1588 精確時間協(xié)議 (PTP) 來實現(xiàn)用于評估無線網絡延遲性能的穩(wěn)健解決方案。
SDR 在工業(yè) 4.0 中的應用
現(xiàn)代運輸系統(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)、遠程系統(tǒng)等廣泛的環(huán)境。SDR 平臺適用于實現(xiàn)低延遲、超可靠的通信系統(tǒng)，用于廣泛的車隊管理應用。
SDR 系統(tǒng)的架構允許實現(xiàn)工業(yè) 4.0 所需的無線網絡協(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)實施不同，基于 SDR 的解決方案可以進行優(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 標準的通用網關。
大多數工業(yè)應用都有嚴格的延遲和可靠性要求，使用現(xiàn)有的無線技術很難滿足這些要求。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(wěn)健性、可重用性，并且通常可作為各種工業(yè) 4.0 協(xié)議的通用網關。
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 的實施。這些挑戰(zhàn)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集成。SDR 系統(tǒng)的可重構性、低延遲和高性能使其成為實施工業(yè) 4.0 無線解決方案的理想選擇。