無線控制無疑為工業系統帶來了巨大優勢，然而隨之而來的一些關鍵挑戰也急需克服。 本文審視高可靠性業控制系統所面臨的極具挑戰性的干擾，以及 Decawave、Linx Technologies、Digi 和 Atmel 的各種收發器器件和模塊所采用的不同頻率和無線協議。

有許多不同的方法可以最大程度地降低用于工業自動化的無線控制系統中的干擾。 設計人員可以通過權衡鏈路預算、距離、頻率和協議，以盡可能獲取最可靠的無線鏈路。 干擾來源十分廣泛，可能來自寬帶電氣噪聲，也可能來自其他附近運作的無線系統。

協議是優化鏈路的一種方式，用碼分復用 (CDMA) 方法將丟失符號的影響降至最低。 現在，通常會增加前向糾錯和循環冗余檢查 (CRC) 功能來保持數據完整性，但它們會占用有效載荷中寶貴的字節數。

擴頻和跳頻技術也被用來盡可能降低干擾。 在某一頻率范圍內擴展信號可進一步降低任意一個頻率干擾的影響。 或者鏈路可以檢測問題，并自動轉移到另一個頻帶，以避免跳頻方案中的干擾。

與此同時，設計者可以權衡通過這些技術實現的距離（對于某些系統最多可以達到 12 km），以在工廠內實現更高的鏈路預算，提高對其他信號的抗干擾性。

所有這些技術都對所使用的頻譜具有連鎖反應。 Sub-GHz 868 MHz 和 902 MHz 頻帶擁塞了許多不同類型的鏈路，這意味著擴頻或跳頻根本不可行，而 2.4 GHz 頻帶不僅包含低功耗的 ZigBee 協議，還需為 Wi-Fi 和藍牙提供空間，也需要消除來自微波爐及其他工業系統的常見干擾。

在此舉例說明一項挑戰：只有少數的 ZigBee 通道不與 Wi-Fi 重疊（通道 15、20、25 和 26），因此干擾可忽略不計，而其余的每個 Wi-Fi 通道都有四個重疊 ZigBee 通道。 PER（分組差錯率）的降低與干擾源和接收器之間的距離以及中心頻率差（干擾源和接收器之間）有密切的關系，讓使用 2.4GHz 頻帶的系統設計者面臨巨大挑戰。

Decawave 不是直接去消除干擾，而是結合使用 3.5 GHz 至 6.5 GHz 頻帶和超寬帶協議，實現更高的數據速率，從而提高抗干擾性。 DecaWave 的 DW1000 芯片是一種完整的單芯片 CMOS 超寬帶 IC，基于 IEEE802.15.4-2011 標準。 它是 ScenSor（尋找控制執行網絡檢測服從回應）部件系列的第一款產品，在 110 kbps、850 kbps 和 6.8 Mbps 的數據速率下工作，并且由于更高的頻率，也可以在室內外定位帶標簽的物體，精度達 10 cm。

圖 1：DW1000 收發器框圖。

本技術不僅可實現高可靠性鏈路以進行精確室內定位，還為工廠自動化提供可靠通信，特別是在偏遠或難以接近的位置。 由于 DW1000 允許同時進行精準的時間測量和數據通信，所以在實時定位系統 (RTLS)、室內定位系統以及物聯網和無線傳感器網絡的開發過程中，它的應用十分廣泛。

工廠自動化設備供應商可以將該技術融入自動化和監控工具，位置精度達 10 cm，而 Wi-Fi RTLS 的位置精度為 3 至 5 m。 由于使用的頻率更高，因此數據速率高達 6.8 Mbit/s，而 ZigBee 和 Wi-Fi 的數據速率分別只有 250 kbit/s 和 1 Mbit/s。

所采用的協議為 802.15.4a 標準，組合使用突發位置調制 (BPM) 和二進制相移鍵控 (BPSK)。 BPM-BPSK 組合用于調制符號，每個符號由一連串超寬帶脈沖組成，可以增強在任一特定頻率下的抗干擾能力。 該芯片還組合六通道頻分多址 (FDMA) 與碼分多址 (CDMA) 技術，每個通道使用兩種不同的碼元，進一步優化通道鏈路與降低干擾。 然后再結合 FEC 和 CRC 糾錯，確保干擾不會影響信號。

此技術還對多路干擾具有內置抗擾功能，因為脈沖的頻帶反射較小且更易消散。

DW1000 采用 2.8 V 至 3.6 V 單電源，并具有 31 mA 以上的發射模式電流和 64 mA 以上的接收模式電流以實現低功耗運行。

對于 sub-GHz 頻帶，Linx Technologies 已開發出一種收發器，用于可靠的長距離遙控和傳感器應用。 TRM-900-TT 包含高度優化的跳頻擴頻 (FHSS) 射頻收發器和集成的遙控轉碼器。 FHSS 系統可實現更高的功率，而且干擾更少，因此可以提供比窄頻無線電更長的距離。

此模塊在 902 至 928 MHz 的頻帶中工作，具有 -112 dBm 的典型靈敏度。 基礎版能夠產生 +12.5 dBm 的發射器輸出功率，在典型 0 dB 增益天線環境下的工廠鏈路中達到超過 2 英里（3.2 公里）的傳輸距離。 高功率款輸出功率為 +23.5 dBm，傳輸距離可達 8 英里（12.8 公里）。

RF 合成器包含 VCO 和低噪聲小數 N 分頻 PLL。 VCO 的運行頻率是基礎頻率的兩倍，這樣可以減少容易引起干擾的雜散發射，因此傳輸距離更長。 接收和發射合成器經過集成，可以自動配置以實現最佳的相位噪聲、調制質量和穩定時間。

接收器集成高效低噪聲放大器，提供高達 -112 dBm 的靈敏度，而且 Linx 已開發出先進的干擾攔截技術，可以使收發器在存在 sub-GHz 頻帶的干擾時極其穩定可靠。

諸如 Digi 的 XBee 等模塊允許設計人員使用 802.15.4 協議，在 2.4 GHz 和 900 MHz 頻帶間移動。 這些嵌入式射頻模塊擁有多個平臺共享的通用封裝，包括多點和 ZigBee/網格拓撲結構以及 2.4 GHz 和 900 MHz 解決方案。 部署 XBee 的開發人員可以根據動態應用需求替換 XBee，所需開發工作極少，2.4 GHz 版本適用于全球部署，900 MHz 版本適用于更長距離或需要更強抗干擾性的環境。

圖 2：Digi XBee 模塊在 2.4 GHz 和 900 MHz 應用中具有相同的基底面。

開發人員選擇使用此模塊的主要原因是為了規避干擾。 此模塊不僅可以屏蔽電磁干擾，還能優化天線路徑設計以降低來自電子裝置其余部分和來自外部的干擾。

Atmel 的 ATZB-S1-256-3-0-C ZigBit 低功率 2.4 GHz 模塊是傳統的 ZigBee 模塊，結合了低功率 AVR 8 位微控制器和高數據速率收發器，可提供 250 kb/s 至 2 Mb/s 的高數據速率、幀處理、高接收靈敏度和高發射輸出功率，從而實現穩定可靠的無線通信。 此模塊設計用于無線感應、監控、控制和數據采集應用。

圖 3：Atmel 的 ATZB-S1-256-3-0-C ZigBit 模塊圖。

為了消除干擾，IEEE802.15.4 標準支持兩個基于 DSSS（直接序列擴頻）的 PHY 選項。 2.4 GHz PHY 采用 Q-QPSK 調制，而 780/868/915 MHz 采用 BPSK（二進制相移鍵控）調制，二者都能提供良好的 BER（比特差錯率）性能。 為了突顯在這些較低頻帶使用跳頻的挑戰，802.15.4 物理層提供了 31 個通道，其中在 780 MHz 頻帶 4 個（面向中國）(802.15.4c)，在 868 MHz 頻帶 1 個（面向歐洲），在 915 MHz 頻帶 10 個（面向北美），在 2.4 GHz 頻帶 16 個（全球范圍）。

有時需要在器件內部解決干擾。 Texas Instruments 的 WL1835MOD 在單個器件中結合了 Wi-Fi MIMO 與藍牙 4.0 鏈路，因此在管理跨通道干擾時存在關鍵挑戰。

圖 4：TI 的 WL1835MOD 能夠消除在同一芯片上運行 Wi-Fi 和藍牙時產生的干擾。

該芯片包括集成的 Wi-Fi 2.4 GHz 功率放大器 (PA)、采用 20 MHz 或 40 MHz SISO（單天線）和 20 MHz MIMO（多天線）設計并且能夠處理 802.11b/g 和 802.11n 數據速率的基帶處理器，以及藍牙無線電前端。

為此，需要創新先進的共存方案。 此項工作在 MAC 層完成，以實現在 2.4GHz 頻帶協調使用所有帶寬。 在任何時候，所有的可用帶寬可以專用于 802.11 或藍牙，只要其中一個是空閑狀態。 例如，當未建立藍牙通信時，全部帶寬均可支持 802.11n 通信，速度高達 54 Mbit/s。 或者，當 802.11 無線電空閑時，2.4 GHz 范圍內的全部帶寬均可用于藍牙通信。 為了確保特定類型的關鍵通信（主要是音頻通道）質量，共存解決方案可以根據通信的時間敏感特性，智能地設置不同優先級。

結論

有許多方式可以最大程度地降低干擾的影響：撤離擁塞的頻帶；使用擴頻和跳頻技術；使用更靈敏的接收器、更高功率的發射器和經優化可降低外部信號影響的布局，以強化鏈路。 上述方法允許工業自動化設備設計人員權衡鏈路預算與鏈路距離，以便實施符合需要的高可靠性鏈路。