ADI

Erik Halthen ADI公司

理解工业控制系统的网络安全
工业控制系统(ICS)中的网络安全问题势必延缓工业4.0的采用。许多企业领导者发现ICS网络安全挑战非常难以理解,因为众多因素导致其非常复杂。此外,开发工业控制系统解决方案的工程师可能尚未看到在设备层面的重大网络安全要求。保障工业控制系统安全的传统方法依赖于限制对网络和设备的访问,并通过信息技术(IT)解决方案监控网络流量。

在工厂中使用设备的产品负责人会发现如果将网络安全问题视为IT问题,就很容易解决。然而,随着工业4.0的出现,传统方法将不再足以保障工业控制系统的安全。如果公司没有应对终端设备安全问题的策略,ICS网络安全面临的挑战最终将延缓工业4.0的采用。为了采用并充分利用工业4.0,网络安全必将成为企业规划的关键部分。ADI公司认识到工业4.0为市场带来的挑战。尽管工业市场历来变化缓慢,但工业4.0的采用却以创纪录的速度大大超出了预
期。伴随着这些变化,网络安全正成为采用工业4.0最具挑战性的障碍之一。ICS网络安全标准和准则已经付诸实施或正在建立中,以确保工厂的安全,但它们没有提供有关如何加速工业4.0计划的指导。我们的使命是通过扩展安全终端并使其更易于实施安全性,使我们的客户能够更快速地采用工业4.0解决方案。

工业4.0正在改变工业控制系统的网络安全

工业4.0正在改变ICS网络安全问题是有原因的。工业4.0的本质是增加对工厂中设备控制的访问权限和可访问性。这意味着对数据的访问权限增加以扩大透明度,减少网络规划,缩减资本支出,降低运营支出,提高带宽并优化机器互通。增加对控制的访问权限和可访问性意味着工厂系统的网络安全风险评估正在发生变化。ICS网络安全解决方案需要适应不断变化的风险,而传统实施于系统的防范措施(例如设置防火墙和将设备置于闭锁门之后)与工业4.0的目标相背。这意味着需要对设备进行安全加固,以便在确保安全的方法中实现更多功能。为了实现可信数据和安全操作,身份和完整性将成为此领域中每个设备的核心。

图1. 终端设备需要转型以适应工业4.0的采用。

工业市场中有许多不同的标准,为工业控制系统安全性的实施提供指导。例如,NIST为美国管理的市场提供安全指导。IEC 62443是针对欧洲管理的国际市场的安全标准草案。这是两个最主要的标准,为工业控制系统安全性的实施和安全状况评估提供了有用的准则;但是,它们并没有就如何加速工业4.0的采用提供指导。IEC 62443目前没有提供有关在PLC下实施安全性的任何准则,最近成立的ISA99工作组旨在解决IEC 62443框架内工厂底层的网络安全问题。当前,为了实现系统可接受的安全状态,必须在未达到足够安全级别的设备上实施防范措施。这些防范措施通常依赖于诸如防火墙之类的方法来限制访问,并切断或隔离易受攻击的设备。将来,设备需要达到更高的安全级别才能实现向工业4.0的过渡。

ADI公司:扩展工业控制系统的网络安全终端

ADI公司在扩展安全终端方面拥有独特的优势。我们的传统市场空间位于物理终端,即将现实世界转换为数字信号并生成数据的地方。这使我们有机会通过在信号链中更早地提供身份和完整性来建立可信数据,并构建安全终端的全新定义。传统上,安全终端始于工业控制系统安全框架中的网关、PLC乃至服务器。

这种观点让人联想到工厂的传统IT网络安全观点,而它仍然存在于整个工业领域中。在信号链中将安全终端进一步向下扩展,其前景非常有吸引力,因为这使得基于该数据的决策具有更高的可信度。在信号链中越早建立身份和完整性,就可以在驱动决策的数据中建立更高的信任和可信度。

ICS网络安全无法以一体适用的解决方案来应对,必须采用深入的防御方法并根据系统的风险评估加以应用。随着以太网应用于终端,ADI公司的策略是扩展ICS网络安全的深度。实现工业4.0需要工厂采用新的连接方法。这意味着以太网已经并将继续在工业控制系统中发挥更大的作用。ADI公司的安全策略是关注以太网连接的位置,因为这会显著改变网络中任何一台设备对系统的影响。我们当前的工业以太网解决方案和TSN解决方案系列一直是公司安全开发的重点。近期,可提供双端口、多协议连接的fido5000 RapID®平台将能够实现多项安全功能,包括提供密钥生成/管理、安全启动、安全更新和安全存储器访问,从而防止网络绑定攻击。此产品系列路线图包括单芯片解决方案,该方案具有硬件可信根、安全设备生命周期管理、安全通信/相互身份验证和防篡改保护。随着工业领域不断采用智能化程度更高的传感器,工厂连接将越来越向下扩展,从而推动了设备层面额外的安全需求。ADI公司致力于开发安全产品组合,以便使ICS安全解决方案的采用更加轻松,并在终端建立信任,以便加速工业4.0的采用。

图2. 实现最高可信度的决策:就在实现从物理到数字转换的地方

作者简介

Erik Halthen作为Sypris Electronics(2016年被ADI收购)的一员,在网络安全解决方案方面拥有丰富的背景知识。Erik就职于ADI网络安全卓越中心,担任工业解决方案的安全系统经理。Erik充分利用自己担任防务行业网络安全项目经理时积累的经验,重点开发能够满足工业物联网的关键市场需求的领先安全解决方案。联系方式:erik.halthen@analog.com

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概述

ADI公司的高速通用评估板(EB-O8R-2Z)旨在帮助客户快速完成新双通道运算放大器电路的原型设计,缩短设计时间。该评估板适用于几乎所有ADI公司的双通道运算放大器,支持各种配置和应用。图1显示的是评估板的器件侧,而图2显示的是评估板的电路侧。

图1. EB-O8R-2Z评估板器件侧

该评估板是2层印刷电路板(PCB),输入端和输出端支持SMA连接器,可高效连接至测试设备。接地层、器件放置和电源旁路经过精心布局,可以将寄生电感和电容降至最低。除旁路电解电容(C1、C2)为3528尺寸外,评估板器件主要采用SMT 0805外形尺寸。

图2. EB-O8R-2Z评估板电路侧

电源旁路方式有两种。第一种是将分流电容(C3、C4)与电解电容(C1、C2)并联并从各电源连接到地。这种电源旁路技术可抑制电源线路上无用宽带噪声。其实现方法是在C5位置放置0 Ω电阻,在C1、C2、C3和C4位置放置分流电容。

第二种电源旁路方式是在供电轨之间连接一个电容。该方法使用的器件较少,并可改善较高频率下的电源抑制比PSRR)。其实现方法是在C3位置放置0 Ω电阻,在C4位置放置旁路电容,而省略C5。最佳旁路方式视电路而定,因此必须由设计师进行评估。

图3显示的是评估板原理图。图4和图6显示的是评估板装配图。图5显示的是PCB器件侧布局图,而图7显示的是PCB电路侧布局图。

详文请阅:SOIC封装的双通道高速运算放大器通用评估板

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Brendan O’Dowd ADI公司工业自动化事业部总经理

经济的普遍繁荣、传感器的普及与无处不在的云连接已开始形成合力,共同加速推动工厂系统和设备的变革步伐。

面对强大的经济和技术力量,工厂的运作方式也正在快速变化。在这个瞬息万变的环境中,善于应变的工厂设备制造商将取得蓬勃发展,因为他们能开发出联网和智能化水平不断提高的系统,增进工厂的灵活性和安全性,并在扩大联网范围的同时,继续为整个体系提供安全保障。自动化系统和自主式系统的广泛使用将降低工厂对重复性劳动或复杂人工操作的依赖性。

半导体将成为新一代工业自动化设备的核心,提供必要的处理、控制和检测功能,确保这些设备能在联网环境中有效地运行。

ADI公司始终在模拟和数字世界的交汇处茁壮成长,对新型工厂自动化设备的技术变革需求有着切身的认识。凭借在检测、信号调理、数字信号处理、有线和无线连接以及软件领域的深厚专业知识,ADI公司能够有效地解决工业客户面临的挑战,能开发出面向应用的解决方案,缩短OEM制造商产品的上市时间。ADI的目标是帮助客户通过技术进行创新,为未来的发展做好准备,同时通过保障工业零部件的长期供货,为传统系统提供持续性的支持。

未来将带来深层次的颠覆性变化,这一切均源于一个广受欢迎的趋势:全球的普遍繁荣。

全球经济的普遍繁荣

本世纪,在传统上被视为发展中国家的部分地区的可支配收入显著增长。结果,全球对制成品的需求不断增长,迫使制造商扩大生产,同时提供越来越多样化的产品配置,以满足地区和国家需求的变化。

与此同时,全球经济繁荣的增长正在减少廉价的、非熟练体力劳动力的供应量。在过去30年中,制造商通过将生产外包到中国等低成本地区而获得的一次性红利逐渐消失,因为这些地区的工资水平上涨;如今,受过良好教育的劳动力逐渐失去对低薪重复性体力劳动的兴趣。未来,制造商将通过部署自动化技术而非转向新的低成本地点来提高竞争力。

智能互联工厂

新的技术能力也有助于制造商从对工厂自动化设备的投入中获得额外的价值。

微型高性能半导体传感器的普及以及无处不在的联网设备产生了大量的机器和工艺特性数据。现在,数据分析技术在丰富的新型应用中表现出前所未有的潜力,如设备健康监测、预防性维护等。与此同时,可编程硬件和软件定义电子功能的普遍应用为工厂流程和工具的快速再配置创造了可能。

由此可见,未来的工厂将更加敏捷,能更及时地响应需求,自动化程度会进一步提高,可靠性也可随之增加。其对操作员的需求将会减少,因计划外维护造成的停机事件也会减少。那么,模拟和数字半导体领域有哪些技术将为实现这种新的工厂自动化模式创造可能呢?

传感器——设备健康监测的关键

MEMS传感器技术为新型传感器的开发提供了可能,此类传感器体积小巧、性能可靠且能精确测量振动和运动。例如,低噪声、宽带宽加速度计具有超高的精度和准确度,能识别机器振动特征的细微变化。与传感器分析软件相结合,这些器件能帮助设备操作员在发生故障之前,提前确定潜在故障的来源,及时采取预防性维护措施。

作为一种应用,设备健康监测并不局限于传统工厂环境。移动或远程工业设备可以使用无线连接来向中央控制器报告诊断信息和运行状态。使用电池供电或间歇性电源(如太阳能),这类应用需要超低功耗的传感解决方案。

高速工厂车间连接解决方案

随着工厂和加工厂里传感器的快速增多,结果会产生海量的实时数据。传感器节点与PLC之间的传统通信协议(如4 mA至20 mA控制回路)将让位于各种版本的超高速以太网协议,为工厂操作技术(OT)基础设施与企业信息技术(IT)基础设施的高度集成创造条件。

为了满足工厂对高速数据传输的这一新需求,OEM制造商需要部署具有未来升级能力的系统,这类系统不仅能支持当前使用的工业以太网协议,还能支持新兴的以太网变体--时间敏感网络(TSN),它很可能成为实时工业通信的有线联网技术标准。为了支持这种转变,ADI推出了一个以太网平台,使系统能从一种以太网协议切换到另一种以太网协议,而无需重新设计硬件。

在物理布线难以到达的位置连接传感器节点也需要性能可靠的无线传感器网络技术。面向要求苛刻的物联网应用的SmartMesh®、WirelessHART等无线网络技术,为工业自动化设备提供了一种有效的高性能无线连接方式。

自主式机器安全系统

自动驾驶汽车和协作机器人为扩大自动化技术在工厂和仓库中的应用提供了巨大的空间。工业界面临的挑战是如何确保安全性,保证自主式机器具有全面的环境感知能力。先进的雷达和激光雷达技术提高了物体和近距检测以及3D绘图应用的准确度和精度标准。

保护工厂免受网络攻击

随着联网设备的增加,黑客为勒索工厂运营方而实施攻击的风险,以及背后由国家支持、以破坏高价值工业系统为目的的攻击者实施攻击的风险都会增大。

随着工厂运营方将越来越多的节点接入云端,他们实际上为黑客开辟了新的攻击入口。基于半导体的连接系统需要部署针对嵌入式系统优化的强大安保机制。ADI公司正在开发新的解决方案,以应对工业系统面临的新型安全威胁,从而为客户的工业基础设施提供未来适应能力。

可配置的生产流程

未来的工厂必须能快速适应新的需求和新的工作流程;关键在于从架构层将灵活性构建到工业自动化技术产品中。可以满足这种灵活性需求的一种办法是软件定义I/O,该解决方法可以在不改变布线的情况下,配置为模拟或数字、输入或输出。

为推动当今技术的发展,ADI公司已推出强大而灵活的工业输出解决方案,可通过软件全面配置模拟输出,并且支持各种工业标准。

集成模拟、数字和软件

工业自动化设备的开发和生产正在发展成为高科技含量不断提高的事业,需要满足最终用户对更高吞吐量、更高可配置能力、更高操作安全性和更高云集成度的需求。与此同时,制造商还面临另外一种压力,需要以新的、更复杂的设计迅速将产品推向市场。

面对这种需求,ADI公司为客户推出了一款集成式的产品,可为设备健康监测、高速连接、安全、安保系统等多种应用提供以市场为导向的解决方案。该产品将模拟、混合信号和数字组件与固件及软件相结合,解决客户面临的最紧迫的开发问题,使客户能够快速有效地应对当前和未来日益严峻的技术和经济挑战。

作者简介

Brendan O’Dowd拥有30多年的工业行业经验,他曾就职于Tellabs、Apple和ADI公司。他目前是ADI公司工业自动化事业部的总经理。联系方式:brendan.odowd@analog.com

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2018年全球主要国家新能源汽车销售超过200万辆,中国销量达125.6万辆。截止2018年底,全球新能源汽车累积销量突破550万辆,中国市场占比超过53%,已然成为推进新能源汽车的“主场”。 这是全国政协副主席、中国科学技术协会主席万钢近日在中国电动汽车百人会论坛上分享的一组数据。

作为全球汽车产业转型升级的标志,新能源汽车颠覆传统燃油车,将电动化、智能化、网联化叠加融合已成大势。在出席了本届论坛的ADI汽车电气化总经理Vincent Troy看来,通过领先、安全的半导体技术助力,2018年汽车行业的“网红”——电动汽车在2019年又可以朝前迈进一大步!

三大颠覆性趋势引领“双战线”稳步推进

汽车全面电动化已经成为全行业的共识。当前,新能源汽车产销量两旺的局面有力推动了新能源生态的蓬勃发展,中国新能源汽车正在进入面向高质量发展的2.0时代。电动化和智能化双轮驱动使新能源汽车不仅在技术上更具纵深,也让其更贴合全新时代的消费者需求,从而可以借助消费市场的巨大爆发力,更快、更有效率地开展全面电动化。

因此,现阶段政府和企业关注的电池续航里程、充电桩等只是整个过程的一个序幕。Vincent认为,自动驾驶、驾驶舱内电子和信息娱乐系统、车辆电气化是三大不可忽略的重要颠覆性趋势。电动车的技术进步应该双线作战:一条战线是电池、电机、电控,以保障汽车的基本功能;另一条战线则是未来竞争聚焦的信息化、网联化、智能化,最终实现无人驾驶。因此,也有不少业内人士认为,新能源汽车作为信息化,智能化,网联化最合适的载体,在系统设计上,则需要将重心更多放在芯片、算法等这些最基础的共性的关键技术。

安全至上、兼顾里程,ADI为电动汽车注入“澎湃动力”

作为电动汽车最重要的核心动力,中国科学院院士欧阳明高在论坛上提到,目前日本、美国和欧洲正在全力研发新一代固态电池,具有成为动力电池主流技术的潜质和前景。而自2008年锂离子动力电池应用于电动汽车到今天已经超过10年,实际装车产品的能量密度提高了2.5倍,实现了动力电池领域百年来革命性的突破。

一般而言,锂电池动力系统需要具备以下功能特性:监测功能;在苛刻的环境下能够保持良好的性能;提供可靠、安全的电量管理。ADI从2007年发布第一款铅酸电池管理IC,就在这个领域占据了全球领导地位,同时也跟随电动汽车的趋势向锂电池管理系统大步迈进。据Vincent介绍,ADI锂电池监控IC产品目前已经发展到第五代,安全性、精度和性能处于业界领先地位,例如在关键的监测功能上ADI借助独特的掩埋式齐纳基准电压源和噪声滤波模拟与数字转换器,可以实现1毫伏的电压测量精度,对于提升续航里程这个关键指标非常重要。卓越的性能,也使得ADI前不久获得全球领先的新能源解决方案提供商宁德时代授予的优秀方案奖。

如何对锂电池动力系统的监测管理信息进行高效连接也非常关键。Vincent 指出ADI全新的无线电池管理技术能将这些信号采用射频的无线连接方法,借助 SmartMesh 无线网格网络产品在BMS上进行整合。ADI曾将高精度电池组监视器及无线网格网络在BMW i3车型上进行了整合,推出了取代电池组和电池管理系统之间有线连接的全球首个无线BMS概念车,解决了电动汽车中连接线长期存在的可靠性问题,并简化了BMS设计和制造。

ADI在2018德国慕尼黑电子展现场展出的无线BMS概念车

下一代电机驱动关键技术如何演进?

电动汽车与传统燃油车一样都有驱动装置,电机驱动系统的性能实际上决定了整车的性能,包括驾乘性能、动力性能以及它的续驶里程等等。因此,不少业内专家认为,下一代电驱动产品特征应该是以集成化、模块化、定制化、新材料和新工艺的应用达到整车对电机驱动系统高效、高功率密度、高可靠和低成本的要求,电机系统则要在器件、模块,包括电磁兼容、功能安全、健康管理、下一代宽禁带半导体技术等方面来进行攻关。

以ADI高压电源IC芯片为例,面对恶劣的工作环境,ADI通过取代光学器件与分立元器件来减小尺寸、减轻重量,以降低系统成本,同时还建造了专门的制造厂,在标准硅晶圆上制作高性能的金线圈,贴装电子元器件时针对系统进行优化,最大限度地提高系统效率。据Vincent透露,这是利用ADI高压隔离技术实现的,其特性非常适合于下一代碳化硅和氮化镓的驱动,而该技术中很大一部分工程设计都来自于ADI中国研发团队。实际上,以碳化硅为代表的新一代高频、高效电力电子将会被普遍使用,这也会推动高速电机向小型、高效、低成本的方向发展。

而在电机控制领域,针对自动驾驶线控方案,ADI与国际领先的磁阻供应商合作,将自身擅长的信号调理、接口等模拟器件技术与磁阻传感器相结合,推出了业界领先、高性价比、安全性更优的用于检测速度、角度和位置的磁阻方案(xMR),可用于线控刹车、线控方向盘等高精度线控马达驱动系统。据Vincent透露,ADI的xMR检测技术作为用于精密电机控制的线控转向和线控制动系统的核心,ADI正在把它设计得更加适应未来的系统以支持L4、L5级自动驾驶。

更多关键技术导向驱动,ADI加码中国下一代智能汽车市场

此外,Vincent还在演讲中提到几项关键技术:在智能座舱领域,ADI音频总线 A2B 技术支持主动降噪ANC、车内通话ICC以及回声消除和降噪ECNR等高级音频算法,同时显著减轻传统电缆线束的重量从而增加电池续航里程;最高性能的大灯驱动器可以将白炽灯替换为更加优质、更高功效比的LED技术;ADI的电流控制器技术也可以为所有的测量系统提高效率、减轻重量提高里程。

事实上,除了布局新能源汽车,ADI 通过在 LiDAR 激光雷达、24GHz和76GHz~81GHz 微波雷达以及IMU(惯性导航单元)等领域的成熟技术,用完整的汽车电子系统解决方案成功布局未来的智能驾驶时代。这些关键技术上的完美布局促成了ADI 与百度在2018年宣布建立合作关系,利用各自在自动驾驶领域的从传感器融合、算法平台及生态系统布局等方面的优势互补,以增强双方的核心市场与行业竞争力,共同拓展相关市场并推动实现信息与工业化的高度融合。

ADI与百度的合作是与中国本土企业广泛合作的一个缩影。汽车电子作为ADI的核心业务,而中国作为全球最大的汽车市场,ADI对中国汽车制造行业的支持一直很给力,从最近连续宣布几起重大合作成果可见一斑:与国内汽车零配件龙头企业华域汽车技术中心合作为全球首款量产智能汽车荣威 MARVEL X提供关键的24 GHz毫米波雷达;与Momenta 联合宣布达成战略合作,ADI 的惯导单元已应用于 Momenta L3 级别面向高速公路的自动驾驶解决方案以及L4级别面向城市道路的自动驾驶解决方案。“ADI汽车电子在全球和中国的市场都得到了迅速的发展,与本土汽车相关企业合作的层次和维度也双双增加。ADI希望与更多的本地客户结为合作伙伴,并将持续扩大本地的汽车电子服务团队,为客户提供更快速更专业的支持。”Vincent总结道。

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Peter Delos ADI公司

摘要

许多雷达系统要求低相位噪声以最大限度抑制杂波。高性能雷达需要特别关注相位噪声,导致在降低频率合成器的相位噪声和表征频率合成器部件的相位噪声方面投入了大量的设计资源。

大家知道,为实现低相位噪声性能,尤其是超低相位噪声性能,必须使用低噪声电源才能达到最佳性能。但文献上没有详细说明如何通过一种系统化方法来量化电源噪声电压电平对相位噪声的影响。本文旨在改变这种状况。

本文提出了电源调制比(PSMR)理论,用来衡量电源缺陷如何被调制到RF载波上。通过电源噪声对RF放大器相位噪声的贡献来验证这一理论;测量结果表明,可以计算并且相当准确地预测该贡献。基于此结果,本文还讨论了描述电源特性的系统化方法。

导言和定义

电源调制比与众所周知的电源抑制比(PSRR)相似,但有一个关键不同点。PSRR衡量电源缺陷直接耦合到器件输出的程度。PSMR衡量电源缺陷(纹波和噪声)如何被调制到RF载波上。下面的“原理”部分引入了一个将PSMR与电源缺陷相关联的传递函数H(s),用以定量地说明电源缺陷如何被调制到载波上。

H(s)具有幅度和相位两个分量,可以随着频率和器件工作条件而变化。尽管变量很多,但一旦确定其特征,便可以利用电源调制比并根据电源数据手册中的纹波和噪声规格来准确预测电源的相位噪声和杂散贡献。

详文请阅:电源调制比揭秘: PSMR与PSRR有何不同?

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Thomas Cameron博士 ADI公司

2018年中期,ADI公司无线技术总监Thomas Cameron博士谈到了第五代通信技术的ADI解决方案和开发情况,以及其未来。Cameron博士拥有超过30年的电信网络技术研发经验,包括蜂窝基站、微波无线电以及电缆系统,他在接下来的采访中分享了他的专业见解。

我们来谈谈5G通信及其未来

5G进展顺利,许多现场试验已完成,还有许多其他工作正在全球稳步进行。GSA最近发布的5G试验快照报告显示,迄今全球已确定了326个以上的单独5G试验和示范,约有62个国家和地区的134家移动运营商宣布了5G试验。虽然其中许多试验都侧重于展示更高吞吐量,但5G颇具灵活性,其提供的新特性将实现新用例。5G为无线标准奠定基础,带领我们走进2030年和未来。展望未来,随着视频共享在社会中越来越普遍,移动数据的产生和消耗丝毫没有减缓。但是,随着我们进入即将到来的机器时代,在未来,连接也意味着与我们身边的世界相连。我们正迈入数字转型时代,届时,我们每天的生活方式、工作方式以及移动方式都将发生翻天覆地的变化。虽然当前智能手机充当人与信息之间的接口,但未来的设备将积极地相互通信,不受人类互动的影响,通过密集的互连传感器网络监控我们周围的环境。以高可靠性和低延迟连接每个人、连接万物的强大移动网络,是即将到来的数字转型的核心。

虽然作为工程师,我们更关注带宽、延迟等新兴规范,但5G的基础之一是灵活性。如果我们观察这些规范是如何形成的,就可以看到人们正在定义波形,希望通过规定还未预想到的用例来实现目前设想的一系列用例。

从较高层面来看,实现三大用例的目标推动着5G的发展。

* 增强移动宽带(eMBB)
* 大规模机器类通信(mMTC)
* 高可靠低延迟通信(uRLLC)

目前,行业5G焦点的相当一部分是增强移动宽带,利用中频和高频频谱中的波束成型技术向高网络容量和更高吞吐量发展。我们也开始看到利用5G网络架构低延迟特性的用例兴起,例如工业自动化。

无线电技术在哪些方面对5G贡献最大?

增强移动宽带推动了对更高数据吞吐量和更高网络容量的需求。蜂窝基站容量可通过三大措施予以提高:获得新频谱,提高基站密度,以及改善频谱效率。虽然我们不断看到全球为移动应用提供新的频谱,并且网络密度通过增加小型蜂窝而提高,但仍然非常需要改进可用频谱的利用率。近年来兴起的大规模MIMO技术可显著改善频谱效率。大规模MIMO涉及到使用大量有源天线元件,这些天线可以通过相干方式进行调整,以精确地将信号传递给空间中的目标用户,同时控制对其他用户的干扰。大量天线与信号处理算法相结合,使系统实质上将频率复用扩展到微观尺度。这给频率复用引入了一个新因素,现在可以使用空间让基站能同时并在同一频谱中向多个用户传送独立的数据流。这导致频谱效率大幅提高,进而大大改善蜂窝的吞吐量。图1显示了这样一个系统。天线在物理上显示为面板,其上安装有许多辐射器(天线振子)。每个辐射器后面是无线电信号链。

图1. 大规模MIMO

大规模MIMO现状如何?

大规模MIMO已被证实能够使移动数据吞吐量提高3至5倍,并且还将继续提高。全球许多移动运营商已完成大规模MIMO试验,预计在2019年至2020年,早期采用者就会开始商业部署该技术,以支持网络中最拥堵地区的通信。展望未来,随着大规模MIMO技术的演进和3GPP无线标准中新特性的增加,我们预计这种无线电规格会在全球移动网络中普及。

这项技术给工程界带来哪些挑战?

在大规模MIMO系统中,我们给系统添加了更多无线电通道,使其从普通8T8R(8个发射器、8个接收器)TDD(时分复用)无线电头端扩展为64T64R系统。虽然大规模MIMO系统能大幅改善基站容量,但其代价是无线电头端的复杂性提高。传统无线电部署采用无源天线罩,由远程无线电头端通过电缆馈送信号。

大规模MIMO物理结构基于有源天线架构,现在有源无线电信号链嵌入天线组件中。这些无线电系统通常是塔式或杆式安装,因此有源天线系统的容许尺寸和重量存在限制。天线尺寸由天线元件间距决定,而直流功耗也是影响系统重量的关键因素。为在尺寸、重量和功耗限制范围内实现所需的无线电性能,无线电设计人员面临着许多技术挑战。

ADI产品如何支持5G,您公司针对无线电开发有何最新解决方案?

有多种方法可以减小无线电系统的尺寸、重量和功耗,最常见的方法是利用电路集成和摩尔定律来缩小尺寸并提高功效比。

ADI公司提倡通过系统级方法解决这些重大问题。当然,集成是最直接的无线电收缩办法,但集成本身也许无法产生预期的好处。然而,如果我们分割系统并优化集成架构,便能产生令人印象更深刻的结果。例如,如果我们基于可减少和/或消除大滤波器及其他无源要素的无线电架构进行构建,便能得到一个综合性能出色的解决方案。再比如,由于采用了零中频无线电架构,整体系统复杂性和功耗降至最低,故能实现很高的无线电功能集成度。

ADI公司的集成CMOS无线电收发器产品系列基于零中频架构,能够带来高集成度,显著改善整体无线电系统的大小、重量和功耗。除了CMOS无线电收发器之外,ADI公司还提供用于无线电前端信号链的各种高性能RF器件系列、精密监测和控制功能、高效电源管理电路。

我们的收发器产品系列颇受好评,AD9375和最近发布的ADRV9009就是其中几个例子。2017年,我们发布了AD9375,它是首款片内集成数字预失真(DPD)算法的RF收发器,专门用于优化小型蜂窝无线电和有源天线系统的发射功效比。“由于DPD系统从FPGA划分到收发器,故JESD204B串行数据接口通道数减半,使得功耗大幅降低,尤其是在每个基站的天线数增加的情况下。”

最近,ADI公司推出业界最宽带宽RF收发器ADRV9009,以扩展其屡获殊荣的RadioVerse™技术和设计生态系统。该收发器为设计人员提供单一无线电平台来加速5G部署,支持2G/3G/4G覆盖范围,并简化相控阵雷达设计。ADRV9009 RF收发器提供两倍于前代器件的带宽(200 MHz),可取代多达20个器件,功耗降低一半,封装尺寸减小60%。ADRV9009内置LO(本振),支持多芯片相位同步,可实现高性能数字波束合成成型,同时减小尺寸、重量和功耗。

图2. 业界最宽带宽RF收发器加快2G到5G基站和相控阵雷达的开发

能否给我们详细讲一下ADI公司的RadioVerse无线技术,以及该技术如何加速5G发展?

RadioVerse技术体现了我们如何利用系统级方法为客户带来价值。通过我们全面的比特到天线产品系列,再加上系统级专业技术,我们不仅是供应商,更是客户的合作伙伴,帮助他们解决最棘手的问题。例如,通过设置和利用我们网站上的RadioVerse生态系统,客户能够快速从概念进入原型制作,再到生产。

无论客户使用我们高度集成的收发器产品进行设计,还是使用前沿数据转换器和RF产品系列进行设计,RadioVerse技术均可提供丰富的技术信息、参考设计、软件和工具,协助客户完成设计流程。通过EngineerZone™——一个包括支持论坛、博客及其他内容的活跃支持社区,设计人员可以与我们的技术专家互动,快速获得设计问题的答案。

AD9375小型蜂窝参考设计是RadioVerse生态系统中的又一个很好的例子。图3中的参考设计包括小型蜂窝无线电所需的所有元件,从SERDES接口到天线。该设计适用于2T2R 250 mW输出功率/每根天线的室内小型蜂窝。所有无线电元件均为板载元件,包括带DPD的AD9375、高效率PA、LNA、滤波器和电源解决方案。功耗小于10 W且尺寸小巧,手持非常方便舒适。只需一个12 V电源即可为电路板供电,它配有一个评估套件,可直接连接到基带子系统,使设计人员能够快速开发系统原型。

图3. 参考设计

能否分享一下5G的商业现实及其采用和发展?

2017年年底,3GPP发布了首个5G NR规范(第15版)。虽然该非独立规范是实现5G的第一步,但这能使SoC供应商可以有调制解调器向前迈进,支持2019年推出5G手机。最近,3GPP宣布完成了又一个里程碑——5G NR独立规范制定完毕,这将支持5G NR网络的独立部署。虽然频谱选择因地区而异,但预计到2020年,5G商业部署将会启动,届时消费者有望体验5G技术的先期优势。我们预计,随着技术逐渐成熟,在许多地区,5G大规模MIMO将利用中频段,接着是毫米波部署。在任何部署情况下,无论低频段、中频段还是毫米波,ADI公司都能为我们的客户提供强大且不断发展的技术组合,使其能够在5G中超越一切可能。

作者简介

Thomas Cameron博士是ADI公司无线技术总监。他的职责是为蜂窝基站系统的集成电路作出行业领先的创新。目前,他正在研发5G系统的蜂窝和毫米波频段无线电技术。在此之前,他担任ADI公司通信业务部门的系统工程总监。

Thomas拥有超过30年的电信网络技术研发经验,包括蜂窝基站、微波无线电以及电缆系统。2006年加入ADI公司前,他曾在Bell Northern Research、Nortel、Sirenza Microdevices以及WJ Communications领导各种RF系统和技术的开发工作。

Thomas拥有佐治亚理工学院电气工程博士学位。他有七项无线技术专利,并撰写了大量技术论文和文章。联系方式:thomas.cameron@analog.com

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发烧友不容错过丨高性能音频系统的两个关键器件

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高分辨率、高保真度和高质量是音频行业使用的一些典型行话,但它们确实是发烧友最为关注的特性。虽然看起来如此吸引人,但若不使用正确的器件,它们是很难实现的,特别是当设计还有高功效比的额外负担时。

高功效比系统通常使用低压差稳压器(LDO),世界上有许多公司制造LDO。选择LDO时,最受关注的规格常常是低噪声和高电源电压抑制比(PSRR)。然而,仅基于这些参数的产品设计并不能真正提供最佳音频性能,还必须检查稳压器的瞬态响应,因为当音频设备改变其工作模式时,LDO上的负载需求可能会发生变化。数字电路不能很好地适应大电压瞬变。ADI公司拥有一些瞬态响应性能出色的LDO,最适合高分辨率和高质量产品。例如,LT1763、LT1964、LT1965和LT3015有助于改善电压调节性能,消除负载瞬态电压尖峰,从而提供更好的音频性能。

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