第四次工業革命（工業 4.0）引發了計算技術大量涌入各行業。這不僅增加了被監控設備和流程的規模，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工業 4.0 所需的無線工業物聯網 (IIoT) 協議的適用性。此外，本文還探討了使用 SDR 平臺實施工業物聯網解決方案的一些好處。

圖 1：工業 4.0 的范圍（圖片：Per Vices）

工業 4.0 和無線 IIoT

工業 4.0 是指各種技術的融合，以實現工業設備和過程的智能聯網。使用無線網絡，從包括傳感器、執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自動化和人工智能支持的生產和裝配線。實現這種互連規模的主要挑戰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數量有限的無線協議。圖 1說明了工業 4.0 的廣泛范圍。

盡管工業環境中的連接一直以有線通信技術為主，但許多行業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 提供的互連規模為行業提供了有助于提高質量控制、生產力和業務敏捷性的實時洞察力。這種大規模監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 4.0 面臨的挑戰

有許多挑戰阻礙了工業 4.0 的實現。首先，當今行業中存在許多不可互操作的無線技術。為了實現工業 4.0，各行業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，與當今行業使用的有線連接相比，無線 IIoT 帶來了更多的網絡安全挑戰。

隨著連接設備數量的增加，工業物聯網將在需要先進干擾監測和緩解技術的行業中創造惡劣的射頻環境。此外，很難使用無線技術連接位于偏遠地區的行業，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 系統利用基于軟件的組件來執行廣泛的信號處理功能。相比之下，傳統無線電系統使用調制器、均衡器和編碼器等專用硬件來執行這些功能。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 系統的 RFE 執行接收 (Rx) 和發送 (Tx) 功能，并設計為在較寬的頻率范圍內運行。

最高性能的 SDR 系統通過專用模數轉換器 (ADC) 和數模轉換器 (DAC) 提供高瞬時帶寬和多個獨立通道。高性能 SDR 系統的數字后端具有現場可編程門陣列 (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化，可提供超低的確定性延遲。

工業 4.0 中的無線通信

無線通信技術廣泛應用于工業領域，包括控制機器、監控機器狀況以及收集和調整生產過程值。工業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 協議是一種基于 IEEE802.15.4 的標準，允許開發低速率無線網狀網絡。該協議支持分布式和集中式安全模型。WirelessHART 是基于 802.15.4 協議的穩健標準，適用于廣泛的工業自動化應用。LoRa 是一種低成本無線通信協議，經過優化，可用于海上鉆井平臺和采礦廠等偏遠行業。

信號的傳輸范圍主要由發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射功率來實現更長的范圍，但法規限制了發射器的最大功率。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分開來的能力稱為選擇性。射頻系統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（圖片：Per Vices）

使用 SDR 解決工業 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和評估工業 4.0 中使用的新無線電協議的周期。

通過將計算密集型任務卸載到 FPGA 可以加速 SDR 系統的性能。FPGA 具有低延遲，因此可以使用 SDR 平臺實現對時間敏感的無線物聯網網絡。將 SDR 與軟件定義的網絡 (SDN) 集成可產生強大的工業自動化系統。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 精確時間協議 (PTP) 來實現用于評估無線網絡延遲性能的穩健解決方案。

SDR 在工業 4.0 中的應用

現代運輸系統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、遠程系統等廣泛的環境。SDR 平臺適用于實現低延遲、超可靠的通信系統，用于廣泛的車隊管理應用。

SDR 系統的架構允許實現工業 4.0 所需的無線網絡協議的物理層。使用 SDR 系統和 GNU Radio，可以快速且低成本地制作諸如 WirelessHART 等協議的原型。此外，與基于專用芯片組的傳統實施不同，基于 SDR 的解決方案可以進行優化，以提供更好的延遲和可靠性性能。

工業 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議互操作。SDR 平臺的架構和靈活性允許以低成本快速實施射頻協議和 DSP 算法，從而使其適合用作工業 4.0 標準的通用網關。

大多數工業應用都有嚴格的延遲和可靠性要求，使用現有的無線技術很難滿足這些要求。克服這一挑戰的一種方法是將基于專用芯片組的傳統解決方案替換為基于 SDR 平臺的解決方案。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、可升級性、穩健性、可重用性，并且通常可作為各種工業 4.0 協議的通用網關。

結論

當今行業中廣泛存在的不可互操作的射頻標準阻礙了工業 4.0 的實施。這些挑戰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 系統的可重構性、低延遲和高性能使其成為實施工業 4.0 無線解決方案的理想選擇。

審核編輯：湯梓紅