Comunicaciones inalámbricas robustas para la Industria 4.0

La Industria 4.0, o industria inteligente, se caracteriza como una nueva revolución industrial en la que los sistemas existentes se conectan en red para crear sistemas ciberfísicos. La primera Revolución Industrial fue una convergencia de diferentes tecnologías que permitió a los ingenieros pasar de productos hechos a mano a la fabricación en masa impulsada por vapor. Hoy en día, la convergencia de varias tecnologías, incluida la detección, la comunicación y el procesamiento de big data, se consideran los componentes básicos de la Industria 4.0. Al agregar conectividad a los sistemas integrados, desde la planta de producción hasta los productos utilizados por los clientes, y extraer datos en tiempo real, teóricamente es posible lograr ganancias de eficiencia de hasta un 30 %. Estos datos no solo podrían optimizar el proceso de fabricación, sino también garantizar una mejor facilitación comercial y allanar el camino para nuevos tipos de negocios.

La base de Industria 4.0 es una infraestructura de comunicaciones confiable. Esta infraestructura permite a los tomadores de decisiones extraer datos de máquinas, plantas y dispositivos de campo. Como se afirma en el informe final del grupo de trabajo Industria 4.0, la creación de redes es lo que impulsa «la convergencia del mundo físico y el mundo virtual (ciberespacio) en forma de sistemas ciberfísicos» y que «los sistemas son fiables, completos y de alta -Las redes de comunicación de calidad son un requisito clave para la Industria 4.0.

La conectividad inalámbrica sub-GHz ya permite la medición de servicios públicos y la detección remota, como el monitoreo estructural. Los dispositivos inalámbricos, a menudo alimentados por baterías, usan sensores para medir y cuantificar el mundo físico y envían esos datos a un nodo de agregación o puerta de enlace donde se pueden enviar a la nube para su agregación y procesamiento. Las soluciones inalámbricas están avanzando en la automatización de fábricas y se espera que aumenten los envíos de dispositivos inalámbricos para satisfacer las demandas de obras públicas, agricultura y medio ambiente, así como la producción y distribución de energía.

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Al diseñar un sistema inalámbrico, los ingenieros consideran muchos factores. Debido a que todos los ingenieros recuerdan la ecuación de transmisión de Friis para aumentar el alcance, se pueden cambiar algunos parámetros, como aumentar la potencia de transmisión o ganar sensibilidad o ambos. Sin embargo, las regulaciones limitan la potencia máxima de transmisión y componentes como antenas de alta potencia y LNA externos pueden aumentar significativamente el costo del sistema. Por lo tanto, al elegir un receptor inalámbrico, la primera especificación que buscan los ingenieros es la sensibilidad. Sin embargo, la sensibilidad por sí sola no cuenta toda la historia.

Para la conectividad dentro de los ecosistemas industriales, los enlaces de radio confiables son esenciales. Mantener comunicaciones confiables puede ser un desafío en un entorno de RF cada vez más hostil, especialmente en el espacio industrial. La banda de radio Industrial, Científica y Médica (ISM) sin licencia continúa creciendo en número de usuarios con cientos de millones de dispositivos activos desplegados desde su introducción en 1985. Hay varias fuentes potenciales de interferencia con las que tratan estas radios, desde RF. radiadores a otros dispositivos de RF activos que pueden operar en la misma banda, a menudo utilizando protocolos propietarios. La interferencia puede degradar significativamente el rango de comunicación. Las redes más grandes y densas también significan que más nodos transmiten en las proximidades, por lo que existe una mayor necesidad de un mejor rendimiento de recepción. La resiliencia contra los cruces es muy deseable. Puede reducir la cantidad requerida de nodos repetidores y habilitar más puntos finales por puerta de enlace. Esto da como resultado una cobertura de red más sólida y menos puntos negros. Con enlaces de radio confiables, se pierden menos paquetes, lo que resulta en menos retransmisiones de paquetes y un sistema más eficiente en general.

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Para entender el desempeño de un receptor, uno debe ir a la hoja de datos y examinar las cifras de selectividad y bloqueo. Para un receptor de radio, la selectividad de RF es su capacidad para distinguir la señal deseada de fuentes de señales no deseadas transmitidas de otras formas. El rechazo de canal adyacente (ACR) describe la capacidad de un receptor para recibir una señal deseada en un canal cuando una señal de interferencia está activa en el canal a un canal de distancia o a un canal de distancia. El canal alternativo es un canal más alejado del canal adyacente. Cuanto mayor sea el rechazo, mejor será el rendimiento del receptor en presencia de interferencia. El bloqueo se refiere a la interferencia más alejada y fuera de banda del receptor. Incluso a varios MHz de distancia, la interferencia de alta potencia puede degradar las comunicaciones y provocar la pérdida de paquetes.

Un aspecto para lograr buenas cifras de bloqueo y selectividad es la reducción del ruido de fase en el sistema de RF. El ruido de fase, el ruido introducido por las fluctuaciones de fase a corto plazo en una señal, se puede considerar como bandas laterales que se extienden desde la señal deseada hasta el dominio de la frecuencia. El ruido de fase generalmente se mide en relación con la portadora, en dBc/Hz, es decir, la potencia de ruido en un ancho de banda de 1 Hz en un desplazamiento específico de la portadora. Este ruido tiene el efecto de degradar el rendimiento del receptor al afectar la mezcla recíproca, como se muestra en la Figura 1, y al aumentar el ruido de fondo. En un receptor, cuando la señal deseada se reduce a la frecuencia intermedia utilizada para el procesamiento de la señal, la cola del bloqueador se puede mezclar y luego no se puede filtrar.

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Figura 1. Teoría básica del ruido de fase.

La linealidad directa del receptor afecta la resistencia a la interferencia cercana de alta potencia. Para redes de radio por debajo de 1 GHz, tal atasco puede ser LTE. Para medir la linealidad en el receptor, recurrimos a la intersección de tercer orden (IIP3). Esto se mide insertando dos tonos en la cadena de recepción y midiendo el producto de intermodulación de tercer orden que aparece a 3 × el espaciado de frecuencia de los tonos de entrada.

Analog Devices ADF7030-1 busca abordar el desafío de una conectividad confiable. El ADF7030-1 es un transceptor de radio sub-GHz totalmente integrado. Es adecuado para aplicaciones que operan en las bandas de frecuencia ISM, SRD y con licencia de 169,4 MHz a 169,6 MHz, 426 MHz a 470 MHz y 863 MHz a 960 MHz. Admite protocolos basados ​​en estándares como IEEE802.15.4g, al tiempo que brinda la flexibilidad para admitir una amplia gama de protocolos propietarios. El receptor de baja frecuencia intermedia (IF) altamente configurable admite una amplia gama de anchos de banda del canal del receptor de 2,6 kHz a 738 kHz. Este rango de ancho de banda del canal del receptor permite que el ADF7030-1 admita el espaciado de canales de banda ultra estrecha, banda estrecha y banda ancha. Está diseñado para proporcionar el mejor bloqueo de su clase y ofrece una sensibilidad excelente.

El front-end analógico (AFE) de bajo consumo y alto rendimiento que utiliza el ADF7030-1 utiliza ADC de alto rango dinámico, filtrado anti-aliasing analógico complejo con QEC y filtrado de canales digitales para eliminar señales no deseadas en la cadena de señal. recepción. Con estas técnicas, el ADF7030-1 puede lograr un bloqueo de hasta 102 dB con una compensación de ±20 MHz y un rechazo de canal adyacente de hasta 66 dB.

Para mantener un alto rendimiento de recepción en todos los anchos de banda y bandas de frecuencia admitidos, el ADF7030-1 utiliza una arquitectura de receptor VLIF reconfigurable con rutas LO de doble banda. Esto permite que el ADF7030-1 admita una amplia gama de aplicaciones.

Figura 2. ACR ADF7030-1 en comparación con la competencia.

El ADF7030-1 ofrece el mejor rendimiento de rechazo de su clase y tiene un valor IIP3 de -8,5 dBm en la ganancia máxima del receptor. Esto brinda a los usuarios finales la confianza de que cumplirán con los requisitos reglamentarios y elimina la necesidad de componentes externos costosos, como filtros puntuales. Un ejemplo de dicho estándar es ETSI Clase 1 con separación de canales de 25 kHz. Esto requiere un rechazo de canal adyacente de 60 dB y una selectividad de 84 dB. Excede el ADF7030-1 cumple con esos requisitos por un margen significativo.

Industry 4.0 desafía a los ingenieros a desarrollar soluciones innovadoras y sólidas para habilitar la próxima generación de dispositivos conectados e inteligentes. Analog Devices es un líder de la industria en la gestión de los impactos ambientales reales de los sistemas de comunicaciones y ha estado diseñando soluciones confiables para conectar los mundos físico y digital durante más de 50 años. Garantizar una comunicación fuerte y confiable es esencial para utilizar el mundo conectado servido por Internet de las Cosas y los servicios propuestos por la Industria 4.0.

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