Industrie 4.0: So funktioniert die Datenübertragung in Echtzeit

Industrie 4.0 oder Smart Industry sind Bezeichnungen für eine relativ neue industrielle Revolution, welche bestehende Systeme zu computerunterstützten Systemen vernetzt. Die erste industrielle Revolution war eine Konvergenz verschiedener Technologien, die es den Ingenieuren ermöglichte, den Übergang von der Handfertigung zur Massenproduktion mit Dampfmaschinenantrieb voranzutreiben. Heute ist es eine Konvergenz ebenfalls verschiedener Technologien, einschließlich Sensorik, Kommunikation und großer Datenverarbeitung, die als die Bausteine von Industrie 4.0 fungieren.

Die Grundlagen für Industrie 4.0

Die Basis von Industrie 4.0 ist eine zuverlässige Kommunikationsinfrastruktur. Diese Infrastruktur ermöglicht es Entscheidungsträgern, Daten aus Maschinen, Fabriken und Endgeräten zu extrahieren. Wie im Abschlussbericht der Arbeitsgruppe Industrie 4.0 festgehalten, ist es die Vernetzung, die „zur Konvergenz der physischen Welt und der virtuellen Welt (Cyberspace) in Form von cyberphysikalischen Systemen“ führt und dass „zuverlässige, umfassende und qualitativ hochwertige Kommunikationsnetze eine Schlüsselanforderung an die Industrie 4.0 sind“.

Drahtlose Sub-GHz-Verbindungen ermöglichen bereits eine automatisierte Verbrauchsmessung und Ferndiagnose, wie beispielsweise die strukturelle Überwachung. Funksysteme, die oft batteriebetrieben sind, verwenden Sensoren, um dabei die physikalische Welt zu messen und zu quantifizieren, und senden diese Daten an einen Sammelpunkt beziehungsweise ein Gateway, um diese Daten zusammenzuführen und zur Verarbeitung in die Cloud zu versenden. Funkanwendungen setzen sich zunehmend in der Fabrikautomatisierung durch, und es ist zu erwarten, dass der Absatz von drahtlosen Systemen zunimmt, um die Anforderungen der Baubranche, von Landwirtschaft und Umwelt sowie Energieerzeugung und -verteilung zu erfüllen.

Das richtige Funksystem

Beim Entwurf eines Funksystems berücksichtigen die Ingenieure viele Faktoren. Wie jeder Ingenieur aus der Friis-Übertragungs-Gleichung zur Erhöhung der Reichweite weiß, kann man hierfür eine Reihe von Parametern ändern, wie zum Beispiel die Erhöhung der Sendeleistung oder der Empfängerempfindlichkeit oder beides. Geltende Vorschriften schränken jedoch die maximale Sendeleistung ein, und Komponenten wie Hochleistungsantennen und externe LNAs können die Kosten eines Systems erheblich verteuern. Daher ist bei der Auswahl eines Funk-Empfängers die Empfängerempfindlichkeit das erste Kriterium. Allerdings ist die Empfangsempfindlichkeit allein nicht die ganze Wahrheit.

Für die Vernetzung innerhalb industrieller Systeme sind zuverlässige Funkverbindungen entscheidend. Die Aufrechterhaltung einer reibungslosen, robusten Kommunikation kann in einer zunehmend „feindlichen“ HF-Umgebung, insbesondere im Industriebereich, eine Herausforderung darstellen. Im nicht zu lizenzierenden industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen (ISM) Funkband gibt es eine zunehmende Zahl von Nutzern mit weit über Hundertmillionen aktiven Geräten, die seit seiner Einführung 1985 zum Einsatz kommen. Dies ergibt viele potenzielle Störquellen, mit denen diese Funksysteme zurechtkommen müssen, zum Beispiel von unbeabsichtigten HF-Strahlern (Störer) bis hin zu anderen aktiven HF-Geräten, die im gleichen Band arbeiten und oft proprietäre Protokolle verwenden. Störungen können die Reichweite der Kommunikation stark beeinträchtigen. Größere, dichtere Netzwerke bedeutet auch mehr Knoten, die in unmittelbarer Nähe senden, was eine höhere Empfängerperformance bedingt. Eine hohe Störfestigkeit ist deshalb sehr wünschenswert. Sie kann die erforderliche Anzahl von Repeaterknoten reduzieren und mehr Endpunkte pro Gateway ermöglichen. Dies führt zu einer robusteren Netzabdeckung mit weniger Funklöchern. Bei zuverlässigen Funkverbindungen gehen weniger Pakete verloren, was zu weniger Paketwiederholungen und einem insgesamt effizienteren System führt.

Selektivität und Blockingverhalten

Um die Empfängerperformance besser zu verstehen, liefert das Datenblatt wichtige Informationen bezüglich Selektivität und Blockingverhalten. In einem Funkempfänger ist die HF-Selektivität die Fähigkeit, das gewünschte Signal von unerwünschten Signalen zu unterscheiden, die auf anderen Kanälen senden. Die Adjacent-Channel-Rejection (ACR, Nachbarkanalunterdrückung), beschreibt die Fähigkeit eines Empfängers, ein Nutzsignal in einem Kanal zu empfangen, wenn ein Störsignal in einem benachbarten Kanal aktiv ist, im direkten Abstand über oder unter dem Nutzkanal. Je größer die Nachbarkanalunterdrückung ist, desto besser ist die Empfängerperformance bei Anwesenheit von Störern. Blocking bezieht sich auf Störungen, die weiter entfernt und außerhalb des Empfängerbandes liegen. Selbst wenn sie mehrere MHz entfernt sind, können diese starken Interferenzen die Kommunikation beeinträchtigen und zu Paketverlusten führen.

Die Messung des Phasenrauschens erfolgt in der Regel relativ zum Träger in dBc/Hz-, das heißt die Rauschleistung in einer Bandbreite von 1 Hz bei einem bestimmten Abstand zum Träger. Dieses Rauschen beeinträchtigt die Empfängerperformance, indem es Interferenzen erzeugt und den Rauschlevel (Noise floor) erhöht. Analog Devices

Ein Element zur Erzielung guter Blocking- und Selektionswerte ist die Reduzierung des Phasenrauschens im HF-System. Phasenrauschen ist das Rauschen, das durch kurzfristige Phasenschwankungen in einem Signal entsteht. Es erzeugt Seitenbänder neben dem Nutzsignal. Die Messung des Phasenrauschens erfolgt in der Regel relativ zum Träger, in dBc/Hz-, das heißt die Rauschleistung in einer Bandbreite von 1 Hz bei einem bestimmten Abstand zum Träger. Dieses Rauschen beeinträchtigt die Empfängerperformance, indem es Interferenzen erzeugt (Bild 1) und den Rauschlevel (noise floor) erhöht. Sofern sich in einem Empfänger das Nutzsignal auf die zur Signalverarbeitung verwendete Zwischenfrequenz heruntermischen lässt, entsteht ein Störprodukt, das sich auch nachträglich nicht mehr herausfiltern lässt.

Linearität des Empfängers

Die Linearität des analogen Empfängers beeinflusst die Robustheit gegen starke benachbarte Interferenzen. In Sub-1-GHz-Funknetzen kann LTE ein solcher Störer sein. Ein Maß für die Linearität eines Empfängers ist der Interceptpunkt dritter Ordnung (IIP3) am Eingang. Dieser lässt sich messen, indem die Tester dem Empfänger zwei Signale zuführen und anschließend das Intermodulationsprodukt dritter Ordnung messen, welches im dreifachen Frequenzabstand der Eingangssignale erscheint.

Der ADF7030-1 von Analog Devices erfüllt die Herausforderung für eine zuverlässige Verbindung. Er ist ein voll integrierter Sub-GHz-Funk-Sende/Empfänger und eignet sich für Anwendungen, die im ISM-, SRD- und lizenzierten Frequenzbändern bei 169,4 MHz bis 169,6 MHz, 426 MHz bis 470 MHz und 863 MHz bis 960 MHz arbeiten. Er unterstützt zudem standardisierte Protokolle wie IEEE802.15.4g und bietet gleichzeitig Flexibilität zur Unterstützung einer Vielzahl von proprietären Protokollen. Der konfigurierbare Empfänger mit niedriger ZF unterstützt einen großen Bereich von Empfängerkanalbandbreiten von 2,6 kHz bis 738 kHz. Diese Vielzahl an Empfangskanalbandbreiten ermöglicht es dem ADF7030-1, Ultranarrow-Band, Schmalband und Breitband-Kanalabstände zu unterstützen. Entwicklungsziel war es, hohe Blockingwerte und eine sehr gute Empfindlichkeit zu bieten.

Das analoge Frontend (AFE) des ADF7030-1 verwendet ADCs mit erhöhtem Dynamikbereich, analoge komplexe Antialiasing-Filterung mit QEC und digitale Kanalfilterung, um unerwünschte Signale im Empfangszug zu entfernen. Analog Devices

Das analoge Frontend (AFE) des ADF7030-1 verwendet ADCs mit erhöhtem Dynamikbereich, analoge komplexe Antialiasing-Filterung mit QEC und digitale Kanalfilterung, um unerwünschte Signale im Empfangszug zu entfernen. Mit diesen Techniken ist der ADF7030-1 in der Lage, bis zu 102 dB Blocking bei ±20 MHz Offset und bis zu 66 dB Nachbarkanalunterdrückung zu erreichen (Bild 2). Um eine hohe Empfangsleistung über alle unterstützten Signalbandbreiten und Frequenzbänder hinweg zu gewährleisten, verwendet der ADF7030-1 eine rekonfigurierbare VLIF-Empfängerarchitektur (Very Low Intermediate Frequency) mit Dual-Band-LO-Pfaden. Damit kann der ADF7030-1 ein breites Applikationsspektrum abdecken.

Der ADF7030-1bietet eine sehr gute Störunterdrückung und hat einen IIP3-Wert von -8,5 dBm bei maximaler Empfangsverstärkung. Dies gibt den Endverbrauchern Sicherheit, dass sie die gesetzlichen Anforderungen erfüllen, und erspart kostspielige externe Komponenten wie SAW-Filter. Ein Beispiel für eine solche Norm ist die ETSI-Klasse-1 mit 25 kHz Kanalabstand. Diese erfordert 60 dB Nachbarkanalunterdrückung und 84 dB Selektivität. Der ADF7030-1 liegt über diesen Anforderungen.

Industrie 4.0 fordert Ingenieure heraus, innovative und überzeugende Lösungen zu entwickeln, um die nächste Generation von vernetzten und intelligenten Geräten zu ermöglichen. Die Sicherstellung einer robusten und zuverlässigen Kommunikation ist der Schlüssel zur Realisierung der vernetzten Welt, um das von Industrie 4.0 vorgesehene Internet der Dinge und Dienste zu nutzen.

(aok)