1 Introducere
În automatizarea industrială, metodele de comunicare prin cablu pentru transmiterea datelor între vehiculele mobile și camerele centrale de control sunt incomode din cauza necesității de a trage cablurile de comunicație; metodele de comunicare fără fir, pe de altă parte, suferă de rate mari de eroare din cauza condițiilor dure din mediile industriale. Comunicația de date fără fir bazată pe inducție-(Transmisie de date prin radio prin inducție) utilizează inducția electromagnetică între un cablu codificat (cunoscut și ca magistrală de inducție) și o antenă de inducție pentru a face schimb de informații. Deoarece raza de comunicare fără fir este strict limitată la 5–20 cm, această metodă asigură atât flexibilitatea mișcării locomotivei, cât și fiabilitatea calității comunicației, permițând, de asemenea, urmărirea-în timp real a poziției locomotivei în mișcare în timpul comunicării.
Echipamentele electrice din setările industriale, în special dispozitivele de control al vitezei cu frecvență variabilă-pe locomotivele în mișcare, pot genera armonici puternice care sunt identice sau similare cu frecvența purtătoare a comunicației de date fără fir inductive. Această interferență de co-frecvență nu poate fi atenuată de filtre trece-bandă. Dacă nu sunt luate măsuri eficiente la intrare pentru a-l suprima, rata de eroare a comunicației de date wireless inductive va crește semnificativ, potențial făcând sistemul inoperabil. Modernizarea sistemului electric al cuptorului de cocs din Faza I la Baosteel a folosit echipamente importate din Japonia. În funcționarea efectivă, „au fost observate întreruperi frecvente în comunicarea barelor colectoare de inducție, analiza atribuind cauza interferențelor puternice aleatorii și distorsiunii de detectare a antenei”. În consecință, în unele aplicații practice, tehnologia wireless inductivă a fost abandonată pentru comunicarea de date, fiind adoptată doar tehnologia de detectare a poziției fără fir inductivă.
Pentru a suprima interferențele în comunicarea inductivă de date fără fir, experții și oamenii de știință din domeniu au efectuat cercetări ample. Un studiu a propus o configurație de antenă de recepție diferențială fără fir inductivă, în timp ce altul a sugerat o metodă care utilizează antene de recepție duble cu o singură linie de transmisie. Tehnica de suprimare a interferențelor pe co-canal „linii de transmisie duble încrucișate cu o singură antenă de recepție la distanță egală” pentru comunicarea inductivă de date fără fir, prezentată în această lucrare, poate suprima eficient zgomotul de interferență pe co-canal, poate îmbunătăți raportul semnal-la-zgomot și este potrivită pentru detectarea poziției bazată-la sol.
2 Principii de bază ale comunicației inductive de date fără fir
Pentru a analiza principiul prin care tehnologia de suprimare a interferențelor co-canal îmbunătățește raportul semnal-la-zgomot în comunicarea inductivă de date fără fir, vom oferi mai întâi o scurtă analiză și o introducere la principiile de bază ale comunicației de date fără fir inductive.
2.1 Cablu codificat și antenă inductivă
Cablul codificat are o formă plată și conține mai multe perechi de linii de transmisie care se intersectează în anumite puncte conform unei scheme de codare definite. Cablul codificat este instalat de-a lungul șinelor locomotivei mobile, cu un capăt conectat la camera centrală de control.
Antena cu inducție este formată din două seturi de bobine-unul care servește drept antenă de transmisie și celălalt ca antenă de recepție-închis într-o cutie de plastic, denumită în mod obișnuit cutia de antenă. Cutia de antenă este montată pe locomotiva în mișcare și conectată la dulapul de comandă al locomotivei. Cutia de antenă se deplasează odată cu locomotiva și menține o distanță de 5–20 cm față de cablul codat în orice moment. A se vedea figura 1.
Când cutia de antenă este poziționată aproape de cablul codificat, fiecare pereche de linii de transmisie din cablul codificat induce un răspuns în bobinele din interiorul cutiei de antenă, stabilind astfel un canal de comunicație fără fir cu rază scurtă de-rază între cutia de antenă și cablul codificat.
2.2 Analiza amplitudinii și fazei semnalului indus
Figura 2 prezintă o diagramă schematică a liniei de transmisie L așezată plat de-a lungul bobinei antenei. În figura 2, lățimea antenei și distanța dintre cele două linii de transmisie care se intersectează în cablul codificat sunt ambele egale cu W, unde W=2r.
Definiție: punctul central al bobinei antenei este definit ca poziția bobinei antenei; regiunea dintre două intersecții ale liniei de transmisie L este denumită regiunea K a liniei de transmisie L (K=I, II, III, …), iar distanța d reprezintă abaterea poziției bobinei antenei x de la linia centrală a regiunii corespunzătoare K.
Folosind bobina antenei ca bobină de transmisie, analizăm forța electromotoare indusă e generată în linia de transmisie de comunicație. Conform teoriei inducției electromagnetice, atunci când un curent i=Imsinωt trece prin bobina antenei, emf e indusă în linia de transmisie este e=di/dt. Aici, coeficientul de inductanță reciprocă M este o funcție de poziția bobinei antenei (x, y, z). Presupunând că y și z rămân constante pe măsură ce bobina antenei se mișcă de-a lungul direcției x-, atunci:
e=f(x)ωImcosωt
Deoarece există o joncțiune, emf indus eI generat în regiunea I a liniei de transmisie este defazat cu emf indus eII generat în regiunea II. Dacă luăm ca referință faza eI, să fie
Când n este par, emf e indusă în linia de transmisie este în fază cu eI; când n este impar, e este defazat cu eI, iar coeficientul de fază este (–1)n.
Când distanța z dintre bobina de transmisie și cablul codificat este mică, liniile de flux magnetic generate de bobina de transmisie pot fi aproximate ca fiind distribuite uniform de-a lungul direcției x-și trecând perpendicular prin linia de transmisie. Prin urmare, mărimea A a forței electromotoare induse e generată în linia de transmisie este proporțională cu aria de inducție efectivă a liniei de transmisie. După cum se arată în Figura 2, când bobina antenei este în poziția 1 (d=0), aria de inducție efectivă S=W × B este la maxim și A=Amax. În poziția d=r a bobinei antenei 3, aria efectivă de inducție S=0 și A=0. La poziția bobinei antenei 2, aria efectivă de inducție S=(W – 2d) × B. Obținem:
În schimb, dacă un curent este trecut prin linia de transmisie de comunicație și bobina antenei este utilizată ca bobină de recepție, ecuațiile (1) până la (3) sunt valabile pe baza principiului inductanței reciproce.
3 Tehnici de suprimare a zgomotului de interferență
Pentru a suprima interferența, în special zgomotul de interferență co-canal, cea mai eficientă abordare este de a preveni intrarea zgomotului de interferență la capătul receptor. Prin urmare, filosofia de proiectare este următoarea: prin implementarea unui design rezonabil pentru capătul de recepție din camera de control-linia de transmisie de comunicație prin cablu codificată-și capătul de recepție de pe vehicul-antena de recepție-zgomotul de interferență este atenuat în timp ce semnalele de comunicație sunt atenuate cât mai puțin posibil, neatenuat sau chiar atenuat obiectivul îmbunătățirea raportului semnal-la-zgomot.
3.1 Proiectarea a două linii de transmisie care traversează o singură antenă de recepție la distanță egală
În „proiectarea a două linii de transmisie care traversează o singură antenă de recepție la distanță egală”, două perechi de linii de transmisie de comunicații încrucișate, L0 și L1, sunt aranjate în cablul codificat. Se utilizează o singură antenă de transmisie și o singură antenă de recepție; antena de recepție este formată din conductori de înfășurare într-un model încrucișat pe mai multe spire și, prin urmare, poate fi considerată ca fiind alcătuită din bobina de recepție 1 și bobina de recepție 2. Distanța dintre liniile de transmisie încrucișate, distanța dintre antenele de recepție încrucișate și lățimea bobinei de transmisie sunt toate W. După cum se arată în Figura 3.
Figura 3(a) prezintă structura reală și o diagramă schematică a operațiunii. Figura 3(b) este o diagramă schematică simplificată a liniilor de transmisie L0 și L1, antena de transmisie și antena de recepție, dispuse plat pentru ușurința analizei; în aplicații reale, L=20 cm.
3.2 Analiza suprimării interferențelor liniei de transmisie
Când un curent de semnal este aplicat la antena de transmisie a locomotivei, centrul de control primește semnalul prin liniile de transmisie de comunicație. Pentru a suprima zgomotul de interferență, linia de transmisie L0 este traversată la intervale regulate de W. De la distanță, acesta apare ca un cablu-pereche răsucită, oferind o suprimare a zgomotului de interferență variind de la câțiva dB la 30 dB, cu o medie de până la 15 dB.
Pentru semnalele de comunicație, conform ecuației (3), amplitudinea AL0 a semnalului indus pe linia de transmisie de comunicație L0 este o funcție de poziția x a antenei. Când centrul bobinei de transmisie este aliniat cu orice punct de intersecție pe L0, AL0=0, rezultând o zonă moartă a canalului. Pentru a evita această situație, în cadrul cablului de codificare este dispusă o pereche suplimentară de linii de transmisie de comunicație, L1, cu punctele lor de intersecție decalate față de cele ale lui L0, așa cum se arată în Figura 3. Fie d0 și d1 să reprezinte distanțele cu care poziția x a bobinei de transmisie este decalată față de liniile centrale ale liniilor de transmisie L0 și, respectiv, L1; apoi, r=d0 + d1. Fie eL0 să reprezinte semnalul indus de linia de transmisie L0, iar eL1 să reprezinte semnalul indus de linia de transmisie L1. În echipamentul electronic al camerei de control, semnalul e'L1-care este eL1 deplasat cu 90 de grade -se însumează cu eL0 pentru a obţine semnalul compozit e. Conform ecuației (2), avem:
În acest moment, antena de transmisie este în cea mai proastă poziție posibilă. Diagrama vectorială a lui e este prezentată în Figura 4.
Analiza de mai sus indică faptul că receptorul cu linie dublă de-transmisie-încrucișată prezentat în Figura 3 este foarte eficient în suprimarea zgomotului de interferență. Pentru semnalele de comunicație, există o atenuare de 3 dB atunci când antena de transmisie se află în cea mai nefavorabilă poziție-caz.
3.3 Analiza suprimării interferențelor de către antena de recepție
Pentru zgomotul de interferență, antenele de recepție tradiționale constau din bobine simple fără cuplare transversală{0}și lipsită de rezistență la interferență. Cu toate acestea, antena de recepție prezentată în figura 3 prezintă bobine de recepție 1 și 2 care sunt încrucișate. În timpul funcționării în câmp, forțele electromotoare de interferență eN1 și eN2 induse în cele două bobine sunt defazate. Dacă undele electromagnetice de zgomot sunt distribuite uniform într-o zonă mică de 2W de-a lungul direcției x-a antenei de recepție, atunci eN1=-eN2, iar forța electromotoare a zgomotului extrasă de antena de recepție, eN, este eN{1 + eN{2=0.
Pentru semnalele de comunicaţie, semnalul modulat f₀ care urmează să fie transmis de camera centrală de control este amplificat şi transmis prin linia de transmisie L₀; semnalul f₁ (care este defazat la 90 de grade cu f₀) este amplificat și transmis prin linia de transmisie L₁. Aceste două semnale generează un câmp electromagnetic combinat în spațiul din apropierea cablului de codare, care este detectat și recepționat de antena de recepție situată în apropierea cablului de codare. Deoarece f₀ și f₁ sunt ortogonale, zonele moarte ale canalului sunt evitate. Semnalele induse generate într-o antenă tradițională de recepție sunt descrise de ecuația (6). După cum se arată în Figura 3, antena de recepție generează forțe electromotoare induse e(1) și e(2) în bobinele receptoare 1 și, respectiv, 2. Datorită caracteristicilor de trecere echidistantă, antena de recepție îndeplinește următoarele în orice poziție:
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); conform ecuației (6), mărimile lui e(1) și e(2) sunt egale;
(2) Dacă câmpul electromagnetic generat în regiunea K a liniei de transmisie Li (i=0, 1) domină bobina de recepție 1, atunci câmpul electromagnetic generat în regiunea K+1 domină bobina de recepție 2. Datorită încrucișării liniilor de transmisie, câmpul electromagnetic generat în regiunea K+1 este defazat cu cel generat în regiunea K+1 de recepție, deoarece recepția cu bobina K21 este încrucișată, fază de recepție după două bobine. inversiuni, fazele lui e(1) și e(2) devin aceleași.
Prin urmare, forța electromotoare indusă e=e(1) + e(2)=2e(1) extrasă de antena de recepție din semnalul de comunicație este de două ori mai mare decât a unei antene de recepție convenționale.
În plus, atunci când bobina de transmisie trimite un semnal, tensiunea la ambele capete ale bobinei de transmisie este de 200 Vp-p. Pentru a preveni ca semnalul puternic transmis să deterioreze circuitul preamplificatorului receptorului, bobina de transmisie este plasată între cele două bobine ale antenei de recepție. În acest fel, forța electromotoare indusă în antena de recepție de către semnalul antenei de transmisie este aproximativ zero.
3.4 Analiza experimentală a suprimării interferențelor antenei de recepție
Condițiile experimentale au fost următoarele: lungimea totală a liniei de transmisie a fost de 3 m și L=20 mm. A fost utilizat un set de echipamente de comunicație de date fără fir inductiv, cu o rată de comunicare de 4800 b/s, modulație FSK și o frecvență purtătoare de 49 kHz. În timpul funcționării normale, curentul de vârf al semnalului modulat care trece prin L0 a fost de 0,07 A; curentul de vârf al semnalului modulat care trece prin bobina antenei de transmisie a fost de 0,38 A.
În timpul experimentului, distanța z dintre bobina de transmisie și cablul codificat a fost menținută la 200 mm, iar centrul bobinei de transmisie a fost menținut aliniat cu o încrucișare a lui L0. În aceste condiții, amplitudinea tensiunii semnalului indus pe linia de transmisie L1 a fost măsurată ca fiind VL1=25 mVp{-p, iar amplitudinea tensiunii semnalului indus pe antena de recepție a fost măsurată ca fiind VA=20 mVp{-p.
Dacă se folosește un generator de semnal ca sursă de interferență și se utilizează o pereche de fire paralele pentru cuplare pentru a induce interferența, vezi Figura 5. Generatorul de semnal emite o tensiune de interferență v=Vm sin(2πft), unde f=49 kHz și R=130 Ω.
Experimentul prezentat în Figura 5(a) corespunde interferenței într-o antenă de recepție convențională, în timp ce experimentul prezentat în Figura 5(b) corespunde interferenței în bobinele încrucișate ale unei antene de recepție. Fie VNm (vârf-la-vârf) să desemneze forța electromotoare indusă de interferență-extrasă din antena de recepție. Tabelul 1 prezintă datele pentru ambele experimente.
Rezultatele experimentale arată că sistemul realizează o suprimare a zgomotului de interferență de până la 48 dB. Analizele teoretice și experimentale prezentate mai sus demonstrează că utilizarea antenelor de recepție încrucișate echidistante nu numai că oferă o suprimare puternică a zgomotului de interferență, dar oferă și un câștig de 6 dB în semnalele de comunicație în comparație cu antenele de recepție tradiționale, îmbunătățind astfel semnificativ raportul semnal-la-zgomot.
4 Concluzie
Tehnica de suprimare a interferențelor care implică „încrucișarea liniilor de transmisie duble cu o singură antenă de recepție la distanțe egale” a fost aplicată într-un sistem de management al controlului centralizat bazat pe computer-pentru locomotivele mobile care utilizează tehnologia wireless inductivă. În aplicațiile practice, această tehnică s-a dovedit eficientă în suprimarea interferențelor în mediile industriale, în special în suprimarea eficientă a interferențelor co-canal generate de dispozitivele de control al vitezei cu frecvență-variabilă, asigurând astfel fiabilitatea comunicării datelor. Desigur, tehnologia de suprimare a interferențelor pentru comunicația de date fără fir inductivă propusă în această lucrare abordează doar suprimarea zgomotului la capătul de recepție. Pentru echipamentele electronice care funcționează în medii industriale dure, trebuie implementate măsuri suplimentare precum împământarea și ecranarea; acestea depășesc scopul acestei lucrări.