面向工业4．0的强大无线通信

作者：Sean O’ Connell

工业4.0或智能工业被誉为一场新的工业革命，其中现有系统联网在一起以创建网络物理系统。第一次工业革命是不同技术的融合，使工程师能够推动从手工制品到蒸汽驱动的大规模制造的转变。今天，它是不同技术的融合，包括传感、通信和大数据处理，这些技术被视为工业4.0的基石。通过增加对嵌入式系统的连接，从工厂车间到客户使用的产品，并实时提取数据，理论上可以实现高达30%的效率提升。这些数据不仅可以优化制造过程，还可以促进更好的业务决策，并为新型业务开辟道路。

工业4.0的基础是可靠的通信基础设施。此基础结构使决策者能够从机器、工厂和现场设备中提取数据。正如工业4.0工作组的最终报告所指出的那样，正是网络导致了“物理世界和虚拟世界（网络空间）以网络物理系统的形式融合”，并且“可靠，全面和高质量的通信网络是工业4.0的关键要求。

Sub-GHz无线连接已经实现了自动公用事业计量和遥感，例如结构监控。无线设备（通常由电池供电）使用传感器来测量和量化物理世界，并将此数据发送到收集器节点或网关，在那里可以将其发送到云进行聚合和处理。无线解决方案正在工厂自动化领域取得进展，预计无线设备的出货量将增加，以满足土木工程、农业和环境以及能源生产和分配的要求。

在设计无线系统时，工程师会考虑许多因素。正如每个工程师都会从弗里斯的传输方程中回忆起增加范围一样，可以更改许多参数，例如增加发射功率或接收灵敏度或两者兼而有之。然而，法规限制了最大发射功率，高功率天线和外部LNA等组件可能会大大增加系统成本。因此，在选择无线接收器时，工程师首先要考虑的是接收灵敏度。然而，仅凭敏感性并不能说明全部情况。

对于工业生态系统内的连接，可靠的无线电连接至关重要。在日益恶劣的射频环境中，保持可靠的通信可能是一项挑战，尤其是在工业领域。自 1985 年推出以来，未经许可的工业、科学和医疗 （ISM） 无线电频段的用户数量不断增加，部署了数亿台活动设备。这些无线电必须应对几个潜在的干扰源，从无意的RF辐射器到可能在同一频段工作的其他有源RF设备，通常使用专有协议。干扰会严重降低通信范围。更大、更密集的网络也意味着更多的节点在近距离传输，因此更需要更好的接收性能。对干扰源的弹性是非常可取的。它可以减少所需的转发器节点数，并为每个网关启用更多终结点。这样可以实现更强大的网络覆盖范围和更少的黑点。通过可靠的无线电连接，丢失的数据包更少，从而减少数据包重传，使系统整体更高效。

为了了解接收器的性能，我们必须转到数据手册并检查选择性和阻塞数据。对于无线电接收器，RF选择性是其区分所需信号与在其他信道中传输的不需要的信号源的能力。相邻信道抑制（ACR） 描述了当干扰信号在间隔小于或大于一个通道的信道中处于活动状态时，接收器在一个信道中接收所需信号的能力。备用通道是从相邻通道中移除一个通道。抑制越大，接收器在存在干扰源时的性能越好。阻塞是指远离接收器频段的干扰源。即使相距几MHz，高功率干扰源也会降低通信质量并导致数据包丢失。

实现良好的阻塞和选择性数据的一个要素是降低RF系统中的相位噪声。相位噪声，即信号中短期相位波动引入的噪声，可以看作是从频域中所需信号扩散出去的边带。相位噪声通常相对于载波进行测量，单位为dBc/Hz，即1 Hz带宽内与载波有指定偏移时的噪声功率。如图1所示，这种噪声会影响倒易混频，并会提高本底噪声，从而降低接收机性能。在接收器中，当所需信号下变频到用于信号处理的中频时，干扰源的尾部可能会混合，随后无法滤除。

图1.相位噪声基本理论。

接收器的前端线性度会影响对附近高功率干扰源的弹性。对于低于1 GHz的无线电网络，这种干扰源可能是LTE。为了测量接收器中的线性度，我们转向输入三阶截点（IIP3）。这是通过将两个音调插入接收链并测量以输入音调的频率间隔3×出现的三阶互调产物来测量的。

ADI公司的ADF7030-1旨在解决可靠连接的挑战。ADF7030-1是一款sub-GHz、完全集成的无线电收发器。它适用于在 169.4 MHz 至 169.6 MHz、426 MHz 至 470 MHz 和 863 MHz 至 960 MHz 的 ISM、SRD 和许可频段内运行的应用。它支持IEEE802.15.4g等基于标准的协议，同时还提供了支持各种专有协议的灵活性。高度可配置的低中频（IF） 接收器支持 2.6 kHz 至 738 kHz 的大范围接收器通道带宽。此接收器通道带宽范围允许ADF7030-1支持超窄带、窄带和宽带通道间隔。它旨在提供一流的阻断并提供出色的灵敏度。

ADF7030-1采用高性能、低功耗模拟前端（AFE），采用高动态范围ADC、带QEC的模拟复数抗混叠滤波和数字通道滤波来消除接收链中的无用信号。利用这些技术，ADF7030-1能够在±20 MHz失调时实现高达102 dB的阻塞和高达66 dB的相邻通道抑制。

为了在所有支持的信号带宽和频段内保持高性能接收性能，ADF7030-1采用具有双频段LO路径的可重新配置VLIF接收器架构。这使得ADF7030-1能够支持广泛的应用。

图2.ADF7030-1 ACR 与竞争对手的比较。

ADF7030-1提供同类最佳的抑制性能，在最大接收器增益下具有–8.5 dBm的IIP3值。这使最终用户有信心满足法规要求，并消除了对SAW滤波器等昂贵外部组件的需求。此类标准的一个例子是具有 25 kHz 通道间隔的 ETSI 1 类。这需要60 dB相邻通道抑制和84 dB选择性。ADF7030-1大大超出了这些要求。

工业 4.0 要求工程师开发创新和引人注目的解决方案，以实现下一代互联和智能设备。ADI公司在管理通信系统的实际环境影响方面处于行业领先地位，50多年来一直致力于设计可靠的解决方案来连接物理世界和数字世界。确保稳健可靠的通信是推出互联世界以服务工业4.0所设想的物联网和服务的关键。