消除高可靠性无线工业控制系统中的干扰

无线控制无疑为工业系统带来了巨大优势，然而随之而来的一些关键挑战也急需克服。 本文审视高可靠性业控制系统所面临的极具挑战性的干扰，以及 Decawave、Linx Technologies、Digi 和 Atmel 的各种收发器器件和模块所采用的不同频率和无线协议。

有许多不同的方法可以最大程度地降低用于工业自动化的无线控制系统中的干扰。 设计人员可以通过权衡链路预算、距离、频率和协议，以尽可能获取最可靠的无线链路。 干扰来源十分广泛，可能来自宽带电气噪声，也可能来自其他附近运作的无线系统。

协议是优化链路的一种方式，用码分复用 (CDMA) 方法将丢失符号的影响降至最低。 现在，通常会增加前向纠错和循环冗余检查 (CRC) 功能来保持数据完整性，但它们会占用有效载荷中宝贵的字节数。

扩频和跳频技术也被用来尽可能降低干扰。 在某一频率范围内扩展信号可进一步降低任意一个频率干扰的影响。 或者链路可以检测问题，并自动转移到另一个频带，以避免跳频方案中的干扰。

与此同时，设计者可以权衡通过这些技术实现的距离（对于某些系统最多可以达到 12 km），以在工厂内实现更高的链路预算，提高对其他信号的抗干扰性。 

所有这些技术都对所使用的频谱具有连锁反应。 Sub-GHz 868 MHz 和 902 MHz 频带拥塞了许多不同类型的链路，这意味着扩频或跳频根本不可行，而 2.4 GHz 频带不仅包含低功耗的 ZigBee 协议，还需为 Wi-Fi 和蓝牙提供空间，也需要消除来自微波炉及其他工业系统的常见干扰。

在此举例说明一项挑战：只有少数的 ZigBee 通道不与 Wi-Fi 重叠（通道 15、20、25 和 26），因此干扰可忽略不计，而其余的每个 Wi-Fi 通道都有四个重叠 ZigBee 通道。 PER（分组差错率）的降低与干扰源和接收器之间的距离以及中心频率差（干扰源和接收器之间）有密切的关系，让使用 2.4GHz 频带的系统设计者面临巨大挑战。

Decawave 不是直接去消除干扰，而是结合使用 3.5 GHz 至 6.5 GHz 频带和超宽带协议，实现更高的数据速率，从而提高抗干扰性。 DecaWave 的 DW1000 芯片是一种完整的单芯片 CMOS 超宽带 IC，基于 IEEE802.15.4-2011 标准。 它是 ScenSor（寻找控制执行网络检测服从回应）部件系列的第一款产品，在 110 kbps、850 kbps 和 6.8 Mbps 的数据速率下工作，并且由于更高的频率，也可以在室内外定位带标签的物体，精度达 10 cm。

图 1：DW1000 收发器框图。

本技术不仅可实现高可靠性链路以进行精确室内定位，还为工厂自动化提供可靠通信，特别是在偏远或难以接近的位置。 由于 DW1000 允许同时进行精准的时间测量和数据通信，所以在实时定位系统 (RTLS)、室内定位系统以及物联网和无线传感器网络的开发过程中，它的应用十分广泛。

工厂自动化设备供应商可以将该技术融入自动化和监控工具，位置精度达 10 cm，而 Wi-Fi RTLS 的位置精度为 3 至 5 m。 由于使用的频率更高，因此数据速率高达 6.8 Mbit/s，而 ZigBee 和 Wi-Fi 的数据速率分别只有 250 kbit/s 和 1 Mbit/s。

所采用的协议为 802.15.4a 标准，组合使用突发位置调制 (BPM) 和二进制相移键控 (BPSK)。 BPM-BPSK 组合用于调制符号，每个符号由一连串超宽带脉冲组成，可以增强在任一特定频率下的抗干扰能力。 该芯片还组合六通道频分多址 (FDMA) 与码分多址 (CDMA) 技术，每个通道使用两种不同的码元，进一步优化通道链路与降低干扰。 然后再结合 FEC 和 CRC 纠错，确保干扰不会影响信号。

此技术还对多路干扰具有内置抗扰功能，因为脉冲的频带反射较小且更易消散。

DW1000 采用 2.8 V 至 3.6 V 单电源，并具有 31 mA 以上的发射模式电流和 64 mA 以上的接收模式电流以实现低功耗运行。

对于 sub-GHz 频带，Linx Technologies 已开发出一种收发器，用于可靠的长距离遥控和传感器应用。 TRM-900-TT 包含高度优化的跳频扩频 (FHSS) 射频收发器和集成的遥控转码器。 FHSS 系统可实现更高的功率，而且干扰更少，因此可以提供比窄频无线电更长的距离。

此模块在 902 至 928 MHz 的频带中工作，具有 -112 dBm 的典型灵敏度。 基础版能够产生 +12.5 dBm 的发射器输出功率，在典型 0 dB 增益天线环境下的工厂链路中达到超过 2 英里（3.2 公里）的传输距离。 高功率款输出功率为 +23.5 dBm，传输距离可达 8 英里（12.8 公里）。 

RF 合成器包含 VCO 和低噪声小数 N 分频 PLL。 VCO 的运行频率是基础频率的两倍，这样可以减少容易引起干扰的杂散发射，因此传输距离更长。 接收和发射合成器经过集成，可以自动配置以实现最佳的相位噪声、调制质量和稳定时间。

接收器集成高效低噪声放大器，提供高达 -112 dBm 的灵敏度，而且 Linx 已开发出先进的干扰拦截技术，可以使收发器在存在 sub-GHz 频带的干扰时极其稳定可靠。

诸如 Digi 的 XBee 等模块允许设计人员使用 802.15.4 协议，在 2.4 GHz 和 900 MHz 频带间移动。 这些嵌入式射频模块拥有多个平台共享的通用封装，包括多点和 ZigBee/网格拓扑结构以及 2.4 GHz 和 900 MHz 解决方案。 部署 XBee 的开发人员可以根据动态应用需求替换 XBee，所需开发工作极少，2.4 GHz 版本适用于全球部署，900 MHz 版本适用于更长距离或需要更强抗干扰性的环境。

图 2：Digi XBee 模块在 2.4 GHz 和 900 MHz 应用中具有相同的基底面。

开发人员选择使用此模块的主要原因是为了规避干扰。 此模块不仅可以屏蔽电磁干扰，还能优化天线路径设计以降低来自电子装置其余部分和来自外部的干扰。 

Atmel 的 ATZB-S1-256-3-0-C ZigBit 低功率 2.4 GHz 模块是传统的 ZigBee 模块，结合了低功率 AVR 8 位微控制器和高数据速率收发器，可提供 250 kb/s 至 2 Mb/s 的高数据速率、帧处理、高接收灵敏度和高发射输出功率，从而实现稳定可靠的无线通信。 此模块设计用于无线感应、监控、控制和数据采集应用。

图 3：Atmel 的 ATZB-S1-256-3-0-C ZigBit 模块图。

为了消除干扰，IEEE802.15.4 标准支持两个基于 DSSS（直接序列扩频）的 PHY 选项。 2.4 GHz PHY 采用 Q-QPSK 调制，而 780/868/915 MHz 采用 BPSK（二进制相移键控）调制，二者都能提供良好的 BER（比特差错率）性能。 为了突显在这些较低频带使用跳频的挑战，802.15.4 物理层提供了 31 个通道，其中在 780 MHz 频带 4 个（面向中国）(802.15.4c)，在 868 MHz 频带 1 个（面向欧洲），在 915 MHz 频带 10 个（面向北美），在 2.4 GHz 频带 16 个（全球范围）。

有时需要在器件内部解决干扰。 Texas Instruments 的 WL1835MOD 在单个器件中结合了 Wi-Fi MIMO 与蓝牙 4.0 链路，因此在管理跨通道干扰时存在关键挑战。

图 4：TI 的 WL1835MOD 能够消除在同一芯片上运行 Wi-Fi 和蓝牙时产生的干扰。

该芯片包括集成的 Wi-Fi 2.4 GHz 功率放大器 (PA)、采用 20 MHz 或 40 MHz SISO（单天线）和 20 MHz MIMO（多天线）设计并且能够处理 802.11b/g 和 802.11n 数据速率的基带处理器，以及蓝牙无线电前端。

为此，需要创新先进的共存方案。 此项工作在 MAC 层完成，以实现在 2.4GHz 频带协调使用所有带宽。 在任何时候，所有的可用带宽可以专用于 802.11 或蓝牙，只要其中一个是空闲状态。 例如，当未建立蓝牙通信时，全部带宽均可支持 802.11n 通信，速度高达 54 Mbit/s。 或者，当 802.11 无线电空闲时，2.4 GHz 范围内的全部带宽均可用于蓝牙通信。 为了确保特定类型的关键通信（主要是音频通道）质量，共存解决方案可以根据通信的时间敏感特性，智能地设置不同优先级。

结论

有许多方式可以最大程度地降低干扰的影响：撤离拥塞的频带；使用扩频和跳频技术；使用更灵敏的接收器、更高功率的发射器和经优化可降低外部信号影响的布局，以强化链路。 上述方法允许工业自动化设备设计人员权衡链路预算与链路距离，以便实施符合需要的高可靠性链路。