處理高可靠度無線工業控制系統中的干擾

無線控制在工業系統中能提供極大的優勢，但有某些關鍵挑戰尚待克服。 本文章探討干擾對高可靠度工業控制系統所帶來的挑戰，以及 Decawave、Linx Technologies、Digi 和 Atmel 的多種收發器元件和模組所採用的不同頻率及無線通訊協定。

有許多方法能降低工業自動化無線控制系統中的干擾。 設計人員可衡量鏈路預算、距離、頻率和通訊協定，儘可能達到最可靠的無線鏈路。 從寬頻電氣雜訊到鄰近運作中的其他無線系統，都會是干擾的來源。

通訊協定是達到鏈路最佳化的方式之一，使用分碼多工 (CDMA) 讓符碼遺失的效應降到最低。 目前都會常規性加入順向錯誤修正及循環冗餘檢查 (CRC) 以維持數據的完整性，但會占用酬載中的珍貴位元。

此外也會使用展頻及跳頻技術降低干擾。 在頻率範圍內展開訊號，也可降低針對任一頻率的干擾影響。 或者，鏈路可偵測問題並自動切換到另一頻帶，以在跳頻機制中避免發生干擾。

同時，設計人員可權衡這些技術的傳遞範圍（某些系統可長達 12 km），以在較不易受其他訊號影響的廠房內提供更高的鏈路預算。 

這些技術對於所使用的頻譜皆具有撞出效應。 Sub-GHz 868 MHz 及 902 MHz 頻帶擠滿許多不同類型的鏈路，這表示展頻或跳頻都不可行，而 2.4 GHz 頻帶則用於家用到低功率 ZigBee 協定，除此之外還要容納 Wi-Fi 及藍牙，而且也要處理微波爐及其它工業系統引起的常見干擾。

就挑戰方面，舉例來說，ZigBee 只有少數通道未與 Wi-Fi 重疊（通道15、20、25 及 26），因而干擾微不足道，但對於各個 Wi-Fi 通道而言，則有四個重疊的 ZigBee 通道。 干擾來源和接收器之間的距離，以及兩者之間的中心頻率差異皆會大幅影響封包錯誤率 (PER) 的降低，因而對使用 2.4 GHz 頻帶的系統設計人員而言是重大的挑戰。

Decawave 並未正面處理此問題，而是結合 3.5 GHz 至 6.5 GHz 頻帶及超寬頻通訊協定，提供較不受干擾影響的更高數據傳輸率。 DecaWave 的 DW1000 晶片是基於 IEEE802.15.4-2011 標準的完整單晶片 CMOS 超寬頻 IC。 這是 ScenSor（尋找控制執行網路感測順從回應）系列零件的首款產品，工作的數據傳輸率為 110 kbps、850 kbps 及 6.8 Mbps，因此頻率更高，並可在室內及戶外定位 10 cm 內的標籤物體。

圖1：DW1000 收發器的方塊圖。

這項技術能提供高可靠度鏈路，達到精確的室內定位以及工廠自動化通訊，特別適用於遠距或難以觸及的位置。 DW1000 能同時進行準確的時間與數據通訊量測，因此開發人員可用於包括即時定位系統 (RTLS) 與室內定位系統，以及物聯網與無線感測網路在內的眾多應用。

工廠自動化設備供應商能在自動化與監測工具中納入此技術，達到 10 cm 的定位精確度，但 Wi-Fi RTLS 只能達到 3 至 5 m。 使用較高的頻率，亦可提供高達 6.8 Mbit/s 的數據傳輸率，但 ZigBee 只能達到 250 kbit/s，而 Wi-Fi 只有 1 Mbit/s。

此元件使用的協定是 802.15.4a 標準，其結合突衝位置調變 (BPM) 及二元相移鍵控 (BPSK)。 BPM-BPSK 的結合可用來調變符碼，各符碼皆由超寬頻脈波突衝所組成，可在任一特定頻率下降低受干擾的可能性。 本晶片亦結合六個分頻 (FDMA) 通道與分碼 CDMA 技術，在每個通道上使用兩個不同代碼，進一步達到通道鏈路最佳化並降低干擾。 之後再結合整合式 FEC 及 CRC 錯誤修正，確保訊號不受干擾影響。

本技術亦內建多重路徑干擾耐受性，因為脈波中的頻帶未妥善反射因此更容易耗散。

DW1000 使用 2.8 V 至 3.6 V 的單一電源電壓，在低功率操作下，發送模式的電流起自 31 mA，接收模式電流起自 64 mA。

Linx Technologies 在低至 Sub-GHz 頻帶開發收發器，適用於可靠的長程遙控器及感測器應用。 TRM-900-TT 含有高度最佳化的跳頻展頻 (FHSS) RF 收發器以及整合式遙控轉碼器。 FHSS 系統能在較低干擾下達到更高功率，因此提供比窄頻無線電更寬廣的範圍。

本模組在 902 至 928 MHz 的頻帶範圍內工作，能達到 ‑112 dBm 的典型靈敏度。 基本款式搭配 0 dB 增益天線下，能在典型環境中的多種站點鏈路中，產生 +12.5 dBm 的發送器輸出功率，並達到超過 2 mi (3.2 km) 的範圍。 高功率款式的輸出為 +23.5 dBm，範圍高達 8 mi (12.8 km)。 

RF 合成器包含 VCO 及低雜訊分數 N PLL。 VCO 用兩倍的基礎頻率工作，能降低造成干擾的雜散輻射，進而達到更寬廣的範圍。 將接收與發送合成器整合在一起，即可自動組態，達到最佳相位雜訊、調變品質及趨穩時間。

接收器結合了可提供高達 -112 dBm 靈敏度的高效率低雜訊放大器，而且 Linx 已開發出先進干擾阻隔技術，能讓收發器在具有干擾的 Sub-GHz 頻帶中達到極佳健全度。

以 Digi 的 XBee 模組為例，設計人員能使用 802.15.4 通訊協定在 2.4 GHz 及 900 MHz 兩頻帶之間切換。 這些嵌入式 RF 模組具有多種平台共用的常見覆蓋區，包含多點和 ZigBee／網狀拓撲以及 2.4 GHz 和 900 MHz 解決方案。 部署 XBee 的開發人員能依據動態應用需求，在最少開發作業下，用一個 XBee 代替另一個；全域部署使用 2.4 GHz 款式，而長程應用或需具備更高干擾耐受性的環境則使用 900 MHz 款式。

圖2：Digi 的 XBee 模組無論是 2.4 GHz 或 900 MHz 皆採用相同的覆蓋區。

開發人員趨向採用模組的主要原因之一就是干擾。 模組不僅能透過屏蔽抵抗 EMI 干擾，並採用最佳化天線路徑設計，能降低來自其他電子產品及外部來源的干擾。 

Atmel 的 ATZB-S1-256-3-0-C ZigBit 低功率 2.4 GHz 模組是傳統型 ZigBee 模組，結合了低功率 AVR 8 位元微控制器與高數據傳輸率收發器，提供 250 kb/s 至高達 2 Mb/s 的高數據傳輸率、訊框處理能力、高接收靈敏度以及高發送輸出功率，因此能達到健全的無線通訊。 本模組的設計適用於無線感測、監測、控制以及數據採集應用。

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

為了解決干擾問題，IEEE802.15.4 標準採用直接序列展頻 (DSSS) 基礎支援兩種 PHY 選項。 2.4 GHz PHY 使用 Q-QPSK 調變，而 780/868/915 MHz 使用二元相移鍵控 (BPSK) 調變，而且兩者皆可提供良好的位元錯誤率 (BER) 效能。 為了因應在較低頻帶使用跳頻的挑戰，802.15.4 實體層提供三十一個通道，其中四個用於中國的 780 MHz 頻帶 (802.15.4c)，一個用於歐洲的 868 MHz 頻帶，十個用於北美洲的 915 MHz，十六個用於全球的 2.4 GHz。

有時必須在元件本身內部處理干擾問題。 Texas Instruments 的 WL1835MOD 在單一元件內結合了 Wi-Fi MIMO 與藍牙 4.0 雙重鏈路，在跨通道干擾管理方面就有重大挑戰。

圖4：TI 的 WL1835MOD 可處理同一晶片上 Wi-Fi 與藍牙工作間的干擾。

本晶片包括用於 Wi-Fi 的整合型 2.4 GHz 功率放大器 (PA)，以及利用 20 MHz 或 40 MHz 單天線 (SISO) 及 20 MHz 多天線 (MIMO) 設計處理 802.11b/g 與 802.11n 數據傳輸率的基頻處理器，還有藍牙無線電前端元件。

為此，需要全新的進階共存機制。 此機制在 MAC 層作業，能協調 2.4 GHz 頻帶上的所有頻寬使用。 只要 802.11、藍牙其中一者或另一者閒置，所有的可用頻寬在任一時刻皆可專用於 802.11 或藍牙之一。 舉例而言，未進行藍牙通訊時，所有的頻寬皆可支援 802.11n 通訊，速率高達 54 Mbit/s。 或者，當 802.11 無線電閒置時，所有 2.4 GHz 範圍內的頻寬皆可投入藍牙通訊。 為了確保特定類型關鍵通訊（大部分是音訊通道）的品質，共存解決方案會依據通訊的時間敏感性質，有智慧地設定不同的優先權。

結論

將干擾影響降到最低有許多方式：離開擁擠的頻帶、使用展頻及跳頻技術，以及透過更靈敏的接收器和更高功率的發送器與經過最佳化的電路增強鏈路能力，以降低外部訊號影響的衝擊。 以上所有方式都能讓工業自動化設備設計人員在鏈路預算及鏈路距離間取得平衡，以實作所需的高度可靠鏈路。