用于 IIoT、RF数据和制造控制的SDR

2022-04-28

用于 IIoT、RF数据和制造控制的SDR

SDR的可重构性、低延迟和高性能使其适合工业4.0应用中的无线解决方案。

第四次工业革命（工业 4.0）引发了计算技术大量涌入各行业。这不仅增加了被监控设备和流程的规模，也暴露了有线通信技术的局限性。为了克服这些限制，各行业正在探索无线解决方案，因为它们更容易扩展和升级并且实施起来更便宜。

本文重点介绍使用软件定义无线电 (SDR) 作为实施行业无线解决方案的解决方案。它探讨了这些平台的各种性能特征以及它们对实现工业4.0所需的无线工业物联网 (IIoT)协议的适用性。此外，本文还探讨了使用 SDR 平台实施工业物联网解决方案的一些好处。

工业 4.0 和无线 IIoT

工业 4.0 是指各种技术的融合，以实现工业设备和过程的智能联网。使用无线网络，从包括传感器、执行器和可编程逻辑控制器 (PLC) 在内的连接设备获取数据。处理这些数据以实现自动化和人工智能支持的生产和装配线。实现这种互连规模的主要挑战之一是当今工厂使用的大多数设备都使用专用芯片并支持有限数量的无线协议。图 1说明了工业 4.0 的广泛范围。

尽管工业环境中的连接一直以有线通信技术为主，但许多行业正在逐渐转向无线技术。这种转变背后的一些主要因素包括更快的配置、更高的移动性以及更低的无线连接安装和维护成本。无线 IIoT 提供的互连规模为行业提供了有助于提高质量控制、生产力和业务敏捷性的实时洞察力。这种大规模监控还有助于预测设备和设备的故障以及预测性维护，有助于降低成本并减少计划外停机时间。

工业 4.0 面临的挑战

有许多挑战阻碍了工业 4.0 的实现。首先，当今行业中存在许多不可互操作的无线技术。为了实现工业 4.0，各行业需要使用能够轻松适应任何基础设施的射频设备。这种级别的适应性还要求设备具有最小和确定的延迟、高干扰鲁棒性和高灵活性。

网络的复杂性随着连接设备的数量而相应增加。IIoT 需要先进的技术来解决与延迟相关的问题并处理资源编排。此外，与当今行业使用的有线连接相比，无线 IIoT 带来了更多的网络安全挑战。

随着连接设备数量的增加，工业物联网将在需要先进干扰监测和缓解技术的行业中创造恶劣的射频环境。此外，很难使用无线技术连接位于偏远地区的行业，例如石化厂和采矿设备，因为无线信号极易受到时变效应引起的衰减。

SDR 的性能特点

SDR 系统利用基于软件的组件来执行广泛的信号处理功能。相比之下，传统无线电系统使用调制器、均衡器和编码器等专用硬件来执行这些功能。SDR 平台具有处理模拟信号的无线电前端 (RFE) 和处理数字信号的数字后端。典型 SDR 系统的 RFE 执行接收 (Rx) 和发送 (Tx) 功能，并设计为在较宽的频率范围内工作。

最高性能的 SDR 系统提供高瞬时带宽和多个带有专用模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC) 的独立通道。高性能 SDR 系统的数字后端具有现场可编程门阵列 (FPGA)，具有各种板载数字信号处理 (DSP) 功能。此外，这些数字后端经过优化，可提供超低的确定性延迟。

工业 4.0 中的无线通信

无线通信技术在工业中用于广泛的应用，包括控制机器、监控机器状况以及收集和调整生产过程值。工业中使用的一些无线技术包括 Zigbee、WirelessHART 和远程广域网调制 (LoRa)。

首先，Zigbee 协议是一种基于 IEEE802.15.4 的标准，允许开发低速率无线网状网络。该协议支持分布式和集中式安全模型。WirelessHART 是基于 802.15.4 协议的稳健标准，适用于广泛的工业自动化应用。LoRa 是一种低成本无线通信协议，经过优化，可用于海上钻井平台和采矿厂等偏远行业。

信号的传输范围主要由发射功率和接收机的灵敏度决定。虽然可以通过简单地增加发射功率来实现更长的范围，但法规限制了发射器的最大功率。此外，低噪声放大器和天线等组件的成本随着额定功率的增加而增加。

无线电接收器将感兴趣的信号与在相邻信道中传输的其他信号区分开来的能力称为选择性。射频系统中相位噪声的存在会极大地影响其整体性能。这种噪声主要源于短期相位波动，减少它有助于提高选择性。

射频系统对附近干扰的弹性很大程度上取决于其接收器的前端线性度。为了测量接收器的线性度，将两个音调插入接收链并测量三阶互调产物。该产品出现在对应于两个输入音的频率间隔三倍的点上。较高的值意味着接收器更线性且不易受互调失真的影响。图 2显示了基本信号和扩展为在三阶交点 (IP3) 处相交的三阶乘积。

图 2：在三阶截取点处相交的基本信号和三阶乘积

使用 SDR 解决工业 4.0 中的问题

SDR 平台可轻松与广泛的射频通信技术集成，并可跨多个频率通道运行。这些性能特点使其成为涉及实时数据采集和传输的应用的理想选择。SDR 平台的灵活性允许自适应调整数据和控制链路以满足无线电系统的条件。

SDR 平台的灵活性允许每个单独的无线链路根据其运行条件进行定制。它还允许轻松实现各种数字信号处理技术，例如跳频和调制技术。此外，在 SDR 中使用基于软件的组件有助于缩短开发和评估工业 4.0 中使用的新无线电协议的周期。

通过将计算密集型任务卸载到 FPGA 可以加速 SDR 系统的性能。FPGA 具有低延迟，因此可以使用 SDR 平台实现对时间敏感的无线物联网网络。将 SDR 与软件定义的网络 (SDN) 集成可产生强大的工业自动化系统。SDN 是解决延迟相关问题、资源编排和网络管理的可靠解决方案。需要频繁更新路由以应对 IIoT 无线链路的高不可靠性。借助 SDN，可以根据实时预定义要求动态重新配置网络。此外，可以通过利用 SDR 平台和 IEEE 1588 精确时间协议 (PTP) 来实现用于评估无线网络延迟性能的稳健解决方案。

SDR 在工业 4.0 中的应用

现代运输系统需要高性能的通信解决方案，这些解决方案可用于高速系统、远程系统等广泛的环境。SDR 平台适用于实现低延迟、超可靠的通信系统，用于广泛的车队管理应用。

SDR 系统的架构允许实现工业 4.0 所需的无线网络协议的物理层。使用 SDR 系统和 GNU Radio，可以快速且低成本地制作诸如 WirelessHART 等协议的原型。此外，与基于专用芯片组的传统实施不同，基于 SDR 的解决方案可以进行优化，以提供更好的延迟和可靠性性能。

工业 4.0 需要灵活且可扩展的解决方案，这些解决方案可与广泛的射频协议互操作。SDR 平台的架构和灵活性允许以低成本快速实施 RF 协议和 DSP 算法，从而使其适合用作工业 4.0 标准的通用网关。

大多数工业应用都有严格的延迟和可靠性要求，使用现有的无线技术很难满足这些要求。克服这一挑战的一种方法是将基于专用芯片组的传统解决方案替换为基于 SDR 平台的解决方案。基于 SDR 的解决方案提供超低的确定性延迟和高可靠性。此外，与专用芯片组相比，具有嵌入式 FPGA 的 SDR 具有更大的灵活性、可升级性、稳健性、可重用性，并且通常可作为各种工业 4.0 协议的通用网关。

结论

当今行业中广泛存在的不可互操作的射频标准阻碍了工业 4.0 的实施。这些挑战需要灵活且可扩展的解决方案，这些解决方案可以轻松与广泛的技术集成。SDR 系统的可重构性、低延迟和高性能使其成为实施工业 4.0 无线解决方案的理想选择。