為工業4.0建構強固的無線通訊

作者: Analog Devices, Inc. IoT 方案及安全事業部產品應用工程師Sean O'Connell

工業4.0(Industry 4.0)或所謂智慧工業帶動了一波的新工業革命,許多現有系統將藉由連網而建構出銜接網路與實體世界的系統。第一次工業革命透過多種技術的匯聚,使得工程師能從人工製造商品轉移至以蒸氣動力運行的大量製造。而眼前這波革命,則是匯聚了不同類型的技術,包括感測、通訊、以及大數據資料處理,而這些都是構成工業4.0的元素。將連網功能納入到嵌入式系統,從廠房樓板一直涵蓋到產品交付到顧客手中後的應用,再加上即時萃取資料的機制,理論上,這樣的流程可帶來30%的效率提升,而於其中所取得的資料,則不僅能用來優化製造流程,還能促成更完善的商業決策,以及為新型態商業模式開路。

工業4.0的基礎仰賴可靠的通訊基礎建設。這樣的基礎設施讓決策者能從機器、工廠、以及部署在現場的裝置中擷取資料。工業4.0工作小組(Industry 4.0 Working Group)在最終報告中提到,連網致使 "實體世界與虛擬世界(網路空間)以網路-實體系統的形態匯聚成一體",而可靠、全方位、高品質的通訊網路便成為工業4.0的一項關鍵需求。

使用低於1 GHz頻率的Sub-GHz無線連網已促成業界發展出自動化計量儀表以及遠端感測等應用,例如 : 結構監視系統。這些通常採用電池供電的無線裝置運用各種感測器來量測與量化實體世界,然後將資料傳送到蒐集節點或閘道器,之後可能再傳送到雲端進行匯整與處理。無線解決方案正大舉進軍工廠自動化市場,這些無線裝置的出貨量將持續攀升,以滿足包括土木工程、農耕、環保、能源生產與輸送等應用領域的需求。

工程師在設計無線系統時通常會考量許多因素。每位工程師都會記得弗林斯傳輸公式,想要增加傳輸距離就得變更幾個參數,像是提高傳輸功率或接收靈敏度,或兩者都採用。然而,有些國家主管機關則是限制了最大傳輸功率,另外,像是高功率天線與外部低雜訊放大器(LNA)都會使系統成本大幅攀升。因此,在選擇無線接收器時,工程師第一個要檢視的就是接收靈敏度。但光靠靈敏度還不足以成事。

對於工業產業體系的連網而言,可靠的無線電連結至關重要。要維持可靠的通訊,在雜訊干擾日趨惡劣的射頻環境中形成一項艱鉅挑戰,尤其是工業環境。免執照的工業/科學/醫療(ISM)公用無線電頻帶吸引數量日增的使用者,自從1985年以來部署的使用中裝置已累積數以億計。這些無線電必須和許多潛在的干擾訊號源爭用通訊頻譜,從非刻意的射頻發射源,一直到其他使用相同頻帶的射頻裝置,這類裝置通常採用專利式通訊協定。干擾會使通訊距離大幅縮減。更大、更密集的網路亦意謂著更多節點會在更靠近的距離傳送訊號,因此更需要更好的接收性能。因此各界極需對干擾源的調適能力,因為除了降低需要的中繼節點數量,還能讓每部閘道器支援更多的端點裝置。如此就能建構更強固的網路,並減少因干擾而發生問題的機率。有了可靠的無線電連結,丟失數據封包數量減少,數據封包重傳次數也變少,整體系統的效率也隨之提升。

想瞭解接收器的效能,則必須查閱其資料表,查看靈敏度與阻斷(blocking)方面的數據。對於無線電接收器而言,射頻靈敏度是指分辨目標訊號以及在其他頻道上傳遞干擾訊號源的能力。相鄰頻道拒斥(ACR)描述的是接收器在一個頻道上接收目標訊號的能力,在此完整性干擾訊號會在另一個頻道上傳送,兩個頻道之間的間隔可能低於或高於一個頻道。替代頻道(alternate channel)則是從相鄰頻道上多移除一個頻道。拒斥力越高,接收器在有干擾源時的效能就越好。阻斷則是進一步的干預,其把干擾源移出接收器的頻帶。即使間隔拉開到幾個MHz,高功率的干擾源仍會使通訊效率已成為,導致數據封包丟失。

要達到理想阻斷與靈敏度數據,其中一項要素就是降低射頻系統中的相位雜訊。相位雜訊是指訊號中短暫相位波動所產生的雜訊,這類雜訊會分散出現在目標訊號頻域的邊頻上。相位雜訊通常和載波一起量測比對,單位為dBc/Hz—意指和載波偏置一段特定距離,在1 Hz頻寬上的雜訊功率。這樣的雜訊會減損接收器效能,而影響到相互混頻,如圖1所示,並使背景雜訊(noise floor)提高。在接收器方面,當目標訊號降頻(downconverted)至訊號處理所採用的中頻,就會混入干擾訊號的尾部,後續也無法濾掉這些雜訊。

 

圖1. 相位雜訊基本理論.

 

接收器前端的線性度直接影響對鄰近高功率干擾源的調適能力。對於1 GHz以下無線電網路而言,這樣的干擾源可能是LTE網路。為了衡量接收器的線性度,我們採用的是三階交越點(IIP3)。量測此數值時我們把2 tone的訊號灌入接收鏈路,然後量測出現在輸入tone訊號3倍頻率間隔上的三階交互調變結果。

Analog Devices透過推出 ADF7030-1 來克服可靠連網的挑戰。ADF7030-1是一款採用sub-GHz頻帶的完全整合式無線電收發器,其適用於包括採用ISM公用頻段、SRD短距離裝置、以及需執照頻帶的應用,其中包括169.4 MHz 至169.6 MHz、426 MHz 至470 MHz、以及863 MHz至960 MHz等頻帶。除了支援諸如IEEE802.15.4g這類標準通訊協定,其還彈性地支援各種專利式通訊協定。這款高設定彈性的低中頻(IF)接收器支援的接收器頻道頻寬從2.6kHz涵蓋到738kHz。如此大範圍的接收器頻道頻寬讓ADF7030-1能支援超窄頻帶、窄頻帶、以及寬頻帶的頻道間隔。其設計主要是用來提供同級產品最佳的阻斷(blocking)性能,並提供優異的靈敏度。

ADF7030-1搭載的低功耗高效能類比前端(AFE)元件除了採用高動態範圍ADC,還結合具備QEC消除回聲功能的抗混疊濾波機制,以及數位通道濾波功能,用來消除接收鏈路中的各種干擾訊號。運用這些技巧,ADF7030-1能在正負20 MHz的偏置範圍提供最高102 dB阻斷能力,以及最高66 dB的相鄰通道拒斥力。

為了在所有支援訊號頻寬與頻帶上維持高效能的接收表現,ADF7030-1採用一種可設定的VLIF接收器架構,其中含有多個雙頻段本地振盪(LO)線路,這讓ADF7030-1能支援種類多元的應用。

 

圖2. ADF7030-1 ACR 和競爭對手的比較

 

ADF7030-1 提供同級產品最佳的拒斥性能,在最高接收器增益下IIP3值達到–8.5 dBm。這讓終端使用者除了有信心能達到相關法規的要求,還能排除對像是表面聲波濾波器這類昂貴外部元件的需求。其中一個例子就是頻道間隔為25 kHz的ETSI Class 1標準,要求60 dB的相鄰通道拒斥力以及84 dB的選擇能力。ADF7030-1不僅超越這些要求,而且超出幅度甚多。

工業4.0 督促著工程師著手研發各種創新與有魅力的解決方案,協助業界打造下一代的連網與智能裝置。Analog Devices 堪稱業界領導者,致力於透過各種通訊系統在現實生活環境中發揮實質效應,公司著手設計可靠的解決方案串連實體與數位世界,至今已累積50多年的經驗。而其中,確保強固且可靠的通訊是其中一大關鍵,如此各界才能建構連網化世界來運行工業4.0所規劃的物聯網以及各種服務。



作者

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Sean O'Connell

Sean graduated from University College Cork with a degree in Electrical and Electronic Engineering. He works as a product Applications Engineer in the IoT Solutions & Security group, supporting low power RF transceivers, e.g. ADF7030-1, and ADI SmartMesh, a complete ready-to-deploy mesh networking solution.