1 Въведение
В индустриалната автоматизация методите за кабелна комуникация за предаване на данни между мобилни превозни средства и централни контролни зали са неудобни поради необходимостта от влачене на комуникационни кабели; Безжичните комуникационни методи, от друга страна, страдат от високи нива на грешки поради тежките условия на индустриалната среда. -Базираната на индукция безжична комуникация на данни (предаване на данни чрез индукционно радио) използва електромагнитна индукция между кодиран кабел (известен също като индукционна шина) и индукционна антена за обмен на информация. Тъй като обхватът на безжичната комуникация е строго ограничен до 5–20 см, този метод гарантира както гъвкавостта на движението на локомотива, така и надеждността на качеството на комуникацията, като същевременно позволява проследяване в реално-време на позицията на движещия се локомотив по време на комуникация.
Електрическото оборудване в индустриални условия, особено устройствата за-контрол на скоростта с променлива честота на движещи се локомотиви, може да генерира силни хармоници, които са идентични или подобни на носещата честота на индуктивната безжична комуникация на данни. Тази ко-честотна интерференция не може да бъде отслабена от лентови филтри. Ако не се вземат ефективни мерки на входа за потискането му, процентът на грешки при индуктивната безжична комуникация на данни ще се увеличи значително, което потенциално ще направи системата неработеща. Фаза I на модернизация на електрическата система на коксовата пещ в Baosteel използва оборудване, внесено от Япония. При действителна работа "бяха наблюдавани чести прекъсвания в комуникацията на индукционната шина, като анализът приписва причината на случайни силни смущения и изкривяване при откриване на антената." Следователно, в някои практически приложения, индуктивната безжична технология е изоставена за комуникация на данни, като е възприета само индуктивна безжична технология за откриване на позиция.
За да потиснат смущенията в индуктивната безжична комуникация на данни, експерти и учени в областта са провели обширни изследвания. Едно проучване предлага конфигурация на индуктивна безжична диференциална приемна антена, докато друго предлага метод, използващ двойни приемащи антени с една предавателна линия. Техниката за „кръстосани двойни предавателни линии с една приемна антена на еднакво разстояние“ за потискане на смущенията в ко-канала за индуктивна безжична комуникация на данни, представена в този документ, може ефективно да потиска шума от смущения в -канала, да подобри съотношението-към-шум и е подходяща за наземно-откриване на позиция.
2 Основни принципа на индуктивната безжична комуникация на данни
За да анализираме принципа, чрез който технологията за потискане на смущенията в съ-канала подобрява съотношението сигнал-към-шум при индуктивната безжична комуникация на данни, първо предоставяме кратък анализ и въведение в основните принципи на индуктивната безжична комуникация на данни.
2.1 Кодиран кабел и индуктивна антена
Кодираният кабел е с плоска форма и съдържа няколко чифта предавателни линии, които се пресичат в определени точки според определена схема за кодиране. Кодираният кабел е монтиран по релсите на мобилния локомотив, като единият край е свързан към централната контролна зала.
Индукционната антена се състои от два комплекта намотки-едните, служещи като предавателна антена, а другите като приемна антена-обвити в пластмасова кутия, обикновено наричана антенна кутия. Антенната кутия е монтирана на движещия се локомотив и свързана към шкафа за управление на локомотива. Антенната кутия се движи заедно с локомотива и през цялото време поддържа разстояние от 5–20 cm от кодирания кабел. Вижте фигура 1.
Когато антенната кутия е разположена близо до кодирания кабел, всяка двойка предавателни линии в кодирания кабел предизвиква реакция в намотките в антенната кутия, като по този начин установява безжичен комуникационен канал с малък{0}}обхват между антенната кутия и кодирания кабел.
2.2 Анализ на амплитудата и фазата на индуцирания сигнал
Фигура 2 показва схематична диаграма на предавателна линия L, поставена плоска покрай намотката на антената. На фигура 2 ширината на антената и разстоянието между двете пресичащи се предавателни линии в кодирания кабел са равни на W, където W=2r.
Определение: Централната точка на антенната бобина се определя като позиция на антенната бобина; областта между две пресечни точки на предавателна линия L се нарича област K на предавателна линия L (K=I, II, III, …), а разстоянието d представлява отклонението на позицията на антенната бобина x от централната линия на съответния регион K.
Използвайки антенната намотка като предавателна намотка, ние анализираме индуцираната електродвижеща сила e, генерирана в комуникационната предавателна линия. Съгласно теорията на електромагнитната индукция, когато ток i=Imsinωt протича през бобината на антената, индуцираната емф e в предавателната линия е e=di/dt. Тук коефициентът на взаимна индуктивност M е функция на позицията на антенната бобина (x, y, z). Ако приемем, че y и z остават постоянни, докато бобината на антената се движи по посока на x-, тогава:
e=f(x)ωImcosωt
Тъй като има кръстовище, индуцираната emf eI, генерирана в област I на преносната линия, не е във фаза с индуцираната emf eII, генерирана в област II. Ако вземем фазата на eI като еталон, нека
Когато n е четно, индуцираната емф e в предавателната линия е във фаза с eI; когато n е нечетно, e е извън фаза с eI и фазовият коефициент е (–1)n.
Когато разстоянието z между предавателната намотка и кодирания кабел е малко, линиите на магнитния поток, генерирани от предавателната намотка, могат да бъдат приблизително разпределени като равномерно разпределени по посока на x- и преминаващи перпендикулярно през предавателната линия. Следователно величината A на индуцираната електродвижеща сила e, генерирана в предавателната линия, е пропорционална на ефективната индукционна площ на предавателната линия. Както е показано на фигура 2, когато бобината на антената е в позиция 1 (d=0), ефективната индукционна площ S=W × B е в своя максимум, а A=Amax. В позиция d=r на антенната бобина 3, ефективната индукционна площ S=0 и A=0. В позицията на антенната бобина 2, ефективната индукционна площ S=(W – 2d) × B. Получаваме:
Обратно, ако ток преминава през комуникационната предавателна линия и намотката на антената се използва като приемна намотка, уравнения (1) до (3) все още са валидни въз основа на принципа на взаимната индуктивност.
3 Техники за потискане на смущения
За потискане на смущенията, особено шума от смущения в -канала, най-ефективният подход е да се предотврати навлизането на шум от смущения в приемащия край. Следователно философията на дизайна е следната: чрез прилагане на разумен дизайн за приемащия край в контролната зала-кодираната кабелна комуникационна линия за предаване-и приемащия край на превозното средство-приемащата антена-шумът от смущения се отслабва, докато комуникационните сигнали се отслабват възможно най-малко, не се отслабват изобщо или дори се усилват, като по този начин се постига целта за подобряване на съотношение сигнал-към-шум.
3.1 Проектиране на две предавателни линии, пресичащи една приемна антена на еднакво разстояние
В "дизайна на две предавателни линии, пресичащи една приемна антена на еднакво разстояние", две двойки кръстосани комуникационни предавателни линии, L0 и L1, са подредени в рамките на кодирания кабел. Използват се една предавателна антена и една приемна антена; приемната антена се формира от навиване на проводници в кръстосана схема върху множество навивки и следователно може да се разглежда като състояща се от приемна намотка 1 и приемна намотка 2. Разстоянието между кръстосаните предавателни линии, разстоянието между кръстосаните приемни антени и ширината на предавателната намотка са всички W. Както е показано на Фигура 3.
Фигура 3(a) показва действителната структура и схематична диаграма на операцията. Фигура 3(b) е опростена схематична диаграма на предавателни линии L0 и L1, предавателна антена и приемаща антена, поставени плоски за лесен анализ; в действителни приложения, W=20 cm.
3.2 Анализ на потискането на смущенията в преносната линия
Когато сигнален ток се приложи към предавателната антена на локомотива, контролният център получава сигнала чрез комуникационните предавателни линии. За да се потисне смущенията, предавателната линия L0 се пресича на равни интервали от W. От разстояние това изглежда като кабел с усукана -двойка, осигуряващ потискане на смущенията в диапазона от няколко dB до 30 dB, със средно до 15 dB.
За комуникационните сигнали, съгласно уравнение (3), амплитудата AL0 на индуцирания сигнал по комуникационната предавателна линия L0 е функция от позицията на антената x. Когато центърът на предавателната бобина е подравнен с която и да е пресечна точка на L0, AL0=0, което води до мъртва зона на канала. За да се избегне тази ситуация, допълнителна двойка комуникационни предавателни линии, L1, е подредена в рамките на кодиращия кабел, като техните пресечни точки са изместени от тези на L0, както е показано на Фигура 3. Нека d0 и d1 представляват разстоянията, с които позицията x на предавателната намотка е изместена от централните линии съответно на предавателните линии L0 и L1; след това, r=d0 + d1. Нека eL0 представлява сигнала, индуциран от предавателната линия L0, а eL1 представлява сигнала, индуциран от предавателната линия L1. В електронното оборудване на контролната зала сигналът e'L1-който е eL1, изместен на 90 градуса -се сумира с eL0, за да се получи съставният сигнал e. Съгласно уравнение (2) имаме:
В този момент предавателната антена е в най-лошата възможна позиция. Векторната диаграма на e е показана на фигура 4.
Горният анализ показва, че приемникът с двойна -преносна-линия, показан на Фигура 3, е много ефективен при потискане на шума от смущения. За комуникационните сигнали има затихване от 3 dB, когато предавателната антена е в най-неблагоприятната-позиция.
3.3 Анализ на потискането на смущенията от приемащата антена
Що се отнася до шума от смущения, традиционните приемни антени се състоят от единични намотки без кръстосано-свързване и нямат устойчивост на смущения. Приемната антена, показана на Фигура 3, обаче включва приемащи намотки 1 и 2, които са кръстосани. По време на работа в полето електродвижещите сили eN1 и eN2, индуцирани в двете намотки, са извън фаза. Ако шумовите електромагнитни вълни са равномерно разпределени в малка област от 2W по протежение на x-посоката на приемната антена, тогава eN1=−eN2 и електродвижещата сила на шума, извлечена от приемната антена, eN, е eN1 + eN2=0.
За комуникационните сигнали, модулираният сигнал f₀, който трябва да бъде предаден от централната контролна зала, се усилва и предава по предавателна линия L₀; сигналът f₁ (който е 90 градуса извън фазата с f₀) се усилва и предава по предавателна линия L1. Тези два сигнала генерират комбинирано електромагнитно поле в пространството близо до кодиращия кабел, което се открива и приема от приемната антена, разположена близо до кодиращия кабел. Тъй като f₀ и f1 са ортогонални, мъртвите зони на канала се избягват. Индуцираните сигнали, генерирани в традиционна приемна антена, се описват с уравнение (6). Както е показано на Фигура 3, приемната антена генерира индуцирани електродвижещи сили e(1) и e(2) съответно в приемни бобини 1 и 2. Поради характеристиките на равноотдалечено пресичане, приемната антена удовлетворява следното във всяка позиция:
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); съгласно уравнение (6), величините на e(1) и e(2) са равни;
(2) Ако електромагнитното поле, генерирано в област K на предавателната линия Li (i=0, 1) доминира в приемащата намотка 1, тогава електромагнитното поле, генерирано в област K+1, доминира в приемащата намотка 2. Поради пресичането на предавателните линии, електромагнитното поле, генерирано в област K+1, не е във фаза с това, генерирано в област K. Тъй като приемащата намотка 2 се пресича с приемащата намотка 1, след две фазови инверсии, фазите на e(1) и e(2) стават еднакви.
Следователно индуцираната електродвижеща сила e=e(1) + e(2)=2e(1), извлечена от приемната антена от комуникационния сигнал, е два пъти по-голяма от тази на конвенционална приемна антена.
Освен това, когато предавателната бобина изпраща сигнал, напрежението в двата края на предавателната бобина е 200 Vp-p. За да се предотврати повредата на силния предаван сигнал в схемата на предусилвателя на приемника, предавателната намотка се поставя между двете намотки на приемната антена. По този начин електродвижещата сила, предизвикана в приемащата антена от сигнала на предавателната антена, е приблизително нула.
3.4 Експериментален анализ на потискането на смущенията от приемната антена
Експерименталните условия бяха както следва: общата дължина на предавателната линия беше 3 m и W=20 mm. Използван е набор от действително индуктивно оборудване за безжична комуникация на данни със скорост на комуникация 4800 b/s, FSK модулация и носеща честота 49 kHz. По време на нормална работа пиковият ток на модулирания сигнал, преминаващ през L0, беше 0,07 A; пиковият ток на модулирания сигнал, преминаващ през бобината на предавателната антена, беше 0,38 A.
По време на експеримента разстоянието z между предавателната намотка и кодирания кабел се поддържа на 200 mm, а центърът на предавателната намотка се поддържа подравнен с едно пресичане на L0. При тези условия амплитудата на индуцираното сигнално напрежение на предавателната линия L1 беше измерена на VL1=25 mVp-p, а амплитудата на индуцираното сигнално напрежение на приемната антена беше измерена на VA=20 mVp-p.
Ако генератор на сигнали се използва като източник на смущения и двойка паралелни проводници се използва за свързване за предизвикване на смущения, вижте Фигура 5. Генераторът на сигнали извежда напрежение на смущения v=Vm sin(2πft), където f=49 kHz и R=130 Ω.
Експериментът, показан на фигура 5(a), съответства на смущения в конвенционална приемна антена, докато експериментът, показан на фигура 5(b), съответства на смущения в кръстосаните намотки на приемна антена. Нека VNm (пик-до-пик) означава електродвижещата сила,-предизвикана от смущението, извлечена от приемната антена. Таблица 1 представя данните за двата експеримента.
Експерименталните резултати показват, че системата постига потискане на шума от смущения до 48 dB. Представените по-горе теоретични и експериментални анализи показват, че използването на равноотдалечени кръстосани приемни антени не само осигурява силно потискане на смущенията, но също така предлага 6 dB печалба в комуникационните сигнали в сравнение с традиционните приемни антени, като по този начин значително подобрява съотношението сигнал-към-шум.
4 Заключение
Техниката за потискане на смущенията, включваща „пресичане на двойни предавателни линии с една приемна антена на равни разстояния“ е приложена в компютърно-базирана система за централизирано управление на мобилни локомотиви, използваща индуктивна безжична технология. В практическите приложения тази техника се оказа ефективна при потискане на смущенията в промишлени среди, особено при ефективно потискане на смущенията в каналите, генерирани от устройства за контрол на скоростта с променлива-честота, като по този начин се гарантира надеждността на комуникацията на данни. Разбира се, технологията за потискане на смущенията за индуктивна безжична комуникация на данни, предложена в тази статия, се отнася само за потискане на шума в приемащия край. За електронно оборудване, работещо в тежки промишлени среди, трябва да се прилагат допълнителни мерки като заземяване и екраниране; те са извън обхвата на този документ.