1 Uvod
U industrijskoj automatizaciji, žične komunikacijske metode za prijenos podataka između mobilnih vozila i centralnih kontrolnih soba su nezgodne zbog potrebe za povlačenjem komunikacijskih kablova; bežične komunikacijske metode, s druge strane, pate od visokih stopa grešaka zbog teških uslova industrijskog okruženja. Indukcijska-bazirana bežična komunikacija podataka (prijenos podataka putem indukcionog radija) koristi elektromagnetnu indukciju između kodiranog kabla (također poznatog kao indukciona magistrala) i indukcione antene za razmjenu informacija. Budući da je opseg bežične komunikacije striktno ograničen na 5-20 cm, ova metoda osigurava i fleksibilnost kretanja lokomotive i pouzdanost kvaliteta komunikacije, a istovremeno omogućava praćenje položaja lokomotive u pokretu u stvarnom{5}}vremenu tokom komunikacije.
Električna oprema u industrijskim okruženjima, posebno uređaji za kontrolu brzine-promjenjive frekvencije na pokretnim lokomotivama, mogu generirati jake harmonike koji su identični ili slični frekvenciji nosioca induktivne bežične komunikacije podataka. Ova ko-smetnja se ne može ublažiti propusnim filterima. Ako se na ulazu ne preduzmu efikasne mjere za njegovo suzbijanje, stopa greške induktivne bežične komunikacije podataka će se značajno povećati, potencijalno čineći sistem neoperativnim. Rekonstrukcija električnog sistema faze I koksne peći u Baosteelu koristila je opremu uvezenu iz Japana. U stvarnom radu, "uočeni su česti prekidi u komunikaciji na indukcijskoj sabirnici, pri čemu je analiza pripisala uzrok nasumičnom jakom smetnjama i izobličenju detekcije antene." Shodno tome, u nekim praktičnim aplikacijama, induktivna bežična tehnologija je napuštena za komunikaciju podataka, a usvojena je samo induktivna bežična tehnologija detekcije položaja.
Da bi suzbili smetnje u induktivnoj bežičnoj komunikaciji podataka, stručnjaci i naučnici iz ove oblasti sproveli su opsežna istraživanja. Jedna studija je predložila konfiguraciju induktivne bežične diferencijalne prijemne antene, dok je druga predložila metodu koja koristi dvostruke prijemne antene sa jednom linijom prenosa. "Ukrštene dualne dalekovode sa jednom prijemnom antenom na jednakom razmaku" tehnika suzbijanja smetnji ko- kanala za induktivnu bežičnu komunikaciju podataka predstavljena u ovom radu može efikasno potisnuti šum smetnji na ko-kanalnom kanalu, poboljšati omjer signala- prema-šumu i pogodna je za detekciju bazne pozicije{6}.
2 Osnovni principi induktivne bežične komunikacije podataka
Kako bismo analizirali princip po kojem tehnologija suzbijanja smetnji ko-konaalnog kanala poboljšava omjer signala-i-šuma u induktivnoj bežičnoj komunikaciji podataka, prvo pružamo kratku analizu i uvod u osnovne principe induktivne bežične komunikacije podataka.
2.1 Kodirani kabel i induktivna antena
Kodirani kabl je ravnog oblika i sadrži nekoliko parova dalekovoda koji se ukrštaju u određenim tačkama prema definisanoj šemi kodiranja. Kodirani kabel je postavljen duž kolosijeka pokretne lokomotive, jednim krajem spojen na centralnu kontrolnu sobu.
Indukciona antena se sastoji od dva seta namotaja-jedan služi kao antena odašiljača, a drugi kao antena prijemnika-upakiranih u plastičnu kutiju, koja se obično naziva kutija za antenu. Antenska kutija je postavljena na pokretnu lokomotivu i povezana sa upravljačkim ormarom lokomotive. Antenska kutija se kreće zajedno s lokomotivom i održava udaljenost od 5-20 cm od kodiranog kabla cijelo vrijeme. Vidi sliku 1.
Kada je antenska kutija postavljena blizu kodiranog kabla, svaki par dalekovoda u kodiranom kablu indukuje odgovor u zavojnicama unutar antenske kutije, čime se uspostavlja -bežični komunikacioni kanal kratkog dometa između antenske kutije i kodiranog kabla.
2.2 Analiza amplitude i faze indukovanog signala
Slika 2 prikazuje šematski dijagram dalekovoda L položenog ravno uz antenski kalem. Na slici 2, širina antene i razmak između dva ukrštanja dalekovoda u kodiranom kablu su oba jednaka W, gdje je W=2r.
Definicija: Centralna tačka zavojnice antene je definisana kao položaj antenskog zavojnice; Područje između dva ukrštanja dalekovoda L naziva se područje K dalekovoda L (K=I, II, III, …), a udaljenost d predstavlja odstupanje položaja zavojnice antene x od središnje linije odgovarajuće regije K.
Koristeći zavojnicu antene kao predajnu zavojnicu, analiziramo induciranu elektromotornu silu e generiranu u komunikacijskom prijenosnom vodu. Prema teoriji elektromagnetne indukcije, kada struja i=Imsinωt teče kroz zavojnicu antene, indukovana emf e u dalekovodu je e=di/dt. Ovdje je koeficijent međusobne induktivnosti M funkcija položaja namotaja antene (x, y, z). Uz pretpostavku da y i z ostaju konstantni dok se zavojnica antene kreće duž x-smjera, tada:
e=f(x)ωImcosωt
Budući da postoji spoj, indukovana emf eI generirana u području I dalekovoda nije u fazi s indukovanom emf eII generiranom u području II. Ako uzmemo fazu eI kao referencu, neka
Kada je n paran, indukovana emf e u dalekovodu je u fazi sa eI; kada je n neparan, e je van faze sa eI, a fazni koeficijent je (–1)n.
Kada je razmak z između predajnog namotaja i kodiranog kabla mali, linije magnetskog toka koje generiše predajni kalem mogu se aproksimirati kao da su ravnomjerno raspoređene duž x- smjera i prolaze okomito kroz dalekovod. Stoga je veličina A indukovane elektromotorne sile e generisane u dalekovodu proporcionalna efektivnoj induktivnoj površini dalekovoda. Kao što je prikazano na slici 2, kada je zavojnica antene na poziciji 1 (d=0), efektivna površina indukcije S=W × B je na svom maksimumu, a A=Amax. Na poziciji d=r antenske zavojnice 3, efektivna indukciona površina S=0, i A=0. Na poziciji antenske zavojnice 2, efektivna indukciona površina S=(W – 2d) × B. Dobijamo:
Suprotno tome, ako se struja propušta kroz komunikacioni prenosni vod, a zavojnica antene se koristi kao prijemni kalem, jednačine (1) do (3) i dalje važe na osnovu principa međusobne induktivnosti.
3 Tehnike suzbijanja smetnji
Za suzbijanje smetnji, posebno buke smetnji na ko{0}}kanalu, najefikasniji pristup je spriječiti da smetnja uđe na prijemnu stranu. Dakle, filozofija dizajna je sljedeća: implementacijom razumnog dizajna za prijemni kraj u kontrolnoj sobi-kodirani kablovski komunikacijski vod-i prijemni kraj na vozilu-prijemna antena-smetnje se prigušuju dok se komunikacijski signali prigušuju što je više moguće, a ne prigušuju se čak ni malo, čak ni prigušeno. postizanje cilja poboljšanja odnosa signala-i-šuma.
3.1 Dizajn dva dalekovoda koji prelaze jednu prijemnu antenu na jednakom razmaku
U "dizajnu dva dalekovoda koji prelaze jednu prijemnu antenu na jednakom razmaku", dva para ukrštenih komunikacionih dalekovoda, L0 i L1, su raspoređeni unutar kodiranog kabla. Koriste se jedna antena za odašiljanje i jedna antena za prijem; prijemna antena je formirana namotavanjem provodnika u ukrštenom uzorku preko više zavoja, pa se stoga može smatrati da se sastoji od prijemnog namotaja 1 i prijemnog namotaja 2. Razmak između ukrštenih dalekovoda, razmak između ukrštenih prijemnih antena i širina predajne zavojnice su svi W. Kao što je prikazano na slici na slici.
Slika 3(a) prikazuje stvarnu strukturu i šematski dijagram operacije. Slika 3(b) je pojednostavljeni šematski dijagram dalekovoda L0 i L1, antene za odašiljanje i prijemne antene, postavljenih ravno radi lakše analize; u stvarnim primjenama, Š=20 cm.
3.2 Analiza potiskivanja smetnji u dalekovodima
Kada se signalna struja dovede na predajnu antenu na lokomotivi, kontrolni centar prima signal preko komunikacijskih dalekovoda. Da bi se suzbila smetnja, dalekovod L0 se prelazi u pravilnim intervalima od W. Iz daljine, ovo izgleda kao upredeni-kabl, koji obezbjeđuje suzbijanje smetnje u rasponu od nekoliko dB do 30 dB, sa prosjekom od čak 15 dB.
Za komunikacijske signale, prema jednačini (3), amplituda AL0 induciranog signala na komunikacijskom prijenosnom vodu L0 je funkcija položaja antene x. Kada je centar predajnog namotaja poravnat sa bilo kojom tačkom presjeka na L0, AL0=0, što rezultira mrtvom zonom kanala. Da bi se izbjegla ova situacija, dodatni par komunikacionih dalekovoda, L1, postavljen je unutar kabela za kodiranje, sa njihovim presječnim tačkama pomaknutim od onih na L0, kao što je prikazano na slici 3. Neka d0 i d1 predstavljaju udaljenosti za koje je pozicija x predajnog namotaja pomaknuta od središnjih linija L0 i L1 dalekovoda, respektivno; zatim, r=d0 + d1. Neka eL0 predstavlja signal induciran dalekovodom L0, a eL1 predstavlja signal induciran dalekovodom L1. U elektronskoj opremi kontrolne sobe, signal e'L1-koji je eL1 pomaknut za 90 stepeni -sabira se sa eL0 kako bi se dobio kompozitni signal e. Prema jednačini (2), imamo:
U ovom trenutku, antena za prenos je u najgorem mogućem položaju. Vektorski dijagram e prikazan je na slici 4.
Gornja analiza pokazuje da je ukršteni prijemnik sa dvostrukom-prijenosnom-linijskom linijom prikazan na slici 3 veoma efikasan u suzbijanju smetnji. Za komunikacijske signale, postoji slabljenje od 3 dB kada je antena za odašiljanje u najgorem- položaju.
3.3 Analiza potiskivanja smetnji od strane prijemne antene
Za šum smetnji, tradicionalne prijemne antene se sastoje od pojedinačnih namotaja bez unakrsnog-spojenja i nemaju otpornost na smetnje. Prijemna antena prikazana na slici 3, međutim, ima prijemne kalemove 1 i 2 koji su ukršteni. Tokom rada u polju, elektromotorne sile interferencije eN1 i eN2 inducirane u dva namotaja su van faze. Ako su šumni elektromagnetski talasi jednoliko raspoređeni unutar malog područja od 2W duž x-smjera prijemne antene, tada je eN1=−eN2, a elektromotorna sila šuma koju izdvaja prijemna antena, eN, je eN{13}} 1}} eN
Za komunikacijske signale, modulirani signal f₀ koji se prenosi iz centralne kontrolne sobe se pojačava i prenosi preko dalekovoda L₀; signal f₁ (koji je 90 stepeni van faze sa f₀) se pojačava i prenosi preko dalekovoda L₁. Ova dva signala stvaraju kombinovano elektromagnetno polje u prostoru blizu kodirajućeg kabla, koje detektuje i prima prijemna antena koja se nalazi u blizini kabla za kodiranje. Pošto su f₀ i f₁ ortogonalni, mrtve zone kanala se izbjegavaju. Inducirani signali generirani u tradicionalnoj prijemnoj anteni opisani su jednadžbom (6). Kao što je prikazano na slici 3, prijemna antena generiše indukovane elektromotorne sile e(1) i e(2) u prijemnim kalemovima 1 i 2, respektivno. Zbog karakteristika ekvidistantnog ukrštanja, prijemna antena zadovoljava sljedeće na bilo kojoj poziciji:
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); prema jednačini (6), veličine e(1) i e(2) su jednake;
(2) Ako elektromagnetno polje generisano u regionu K dalekovoda Li (i=0, 1) dominira prijemnim kalemom 1, tada elektromagnetno polje generisano u regionu K+1 dominira prijemnim namotajem 2. Zbog ukrštanja dalekovoda, elektromagnetno polje generisano u regionu K{6} je generisano u regionu K{6} na izlazu. kalem 2 se ukrsti sa prijemnim kalemom 1, nakon dve inverzije faze, faze e(1) i e(2) postaju iste.
Prema tome, indukovana elektromotorna sila e=e(1) + e(2)=2e(1) koju izdvaja prijemna antena iz komunikacijskog signala je dvostruko veća od konvencionalne prijemne antene.
Dodatno, kada kalem za prijenos šalje signal, napon na oba kraja prijenosnog zavojnice je 200 Vp-p. Da bi se spriječilo da jak signal koji se odašilje ošteti krug pretpojačala prijemnika, kalem odašiljanja se postavlja između dva namotaja prijemne antene. Na ovaj način, elektromotorna sila indukovana u prijemnoj anteni signalom odašiljačke antene je približno nula.
3.4 Eksperimentalna analiza potiskivanja smetnji prijemnom antenom
Eksperimentalni uvjeti su bili sljedeći: ukupna dužina dalekovoda je bila 3 m, a W=20 mm. Korišćen je set stvarne induktivne opreme za bežičnu komunikaciju podataka, sa brzinom komunikacije od 4800 b/s, FSK modulacijom i nosećom frekvencijom od 49 kHz. Tokom normalnog rada, vršna struja moduliranog signala koji prolazi kroz L0 bila je 0,07 A; vršna struja moduliranog signala koji prolazi kroz zavojnicu predajne antene bila je 0,38 A.
Tokom eksperimenta, rastojanje z između predajne zavojnice i kodiranog kabla je održavano na 200 mm, a centar odašiljačke zavojnice je držan poravnat sa jednim prelazom L0. U ovim uslovima, amplituda indukovanog signalnog napona na dalekovodu L1 je izmjerena na VL1=25 mVp-p, a amplituda indukovanog napona signala na prijemnoj anteni je izmjerena na VA=20 mVp-p.
Ako se generator signala koristi kao izvor smetnji i par paralelnih žica se koristi za spajanje radi izazivanja smetnji, vidi sliku 5. Generator signala daje napon interferencije v=Vm sin(2πft), gdje je f=49 kHz i R=130 Ω.
Eksperiment prikazan na slici 5(a) odgovara smetnji u konvencionalnoj prijemnoj anteni, dok eksperiment prikazan na slici 5(b) odgovara interferenciji u ukrštenim zavojnicama prijemne antene. Neka VNm (peak-do-peak) označava elektromotornu silu izazvanu smetnjama-izvučenu iz prijemne antene. U tabeli 1 prikazani su podaci za oba eksperimenta.
Eksperimentalni rezultati pokazuju da sistem postiže supresiju smetnji do 48 dB. Gore prikazane teorijske i eksperimentalne analize pokazuju da korištenje ekvidistantnih ukrštenih prijemnih antena ne samo da obezbjeđuje snažnu supresiju smetnji, već nudi i povećanje od 6 dB u komunikacionim signalima u poređenju sa tradicionalnim prijemnim antenama, čime se značajno poboljšava odnos signala-i-šuma.
4 Zaključak
Tehnika suzbijanja smetnji koja uključuje "ukrštanje dvostrukih dalekovoda sa jednom prijemnom antenom na jednakim udaljenostima" primijenjena je u kompjuterskom{0}}baziranom centraliziranom sistemu upravljanja upravljanjem za mobilne lokomotive koji koristi induktivnu bežičnu tehnologiju. U praktičnim primenama, ova tehnika se pokazala efikasnom u suzbijanju smetnji u industrijskim okruženjima, posebno u efikasnom suzbijanju smetnji na ko-kanalnom nivou koju generišu uređaji za kontrolu brzine promenljive -frekvencije, čime se obezbeđuje pouzdanost komunikacije podataka. Naravno, tehnologija za suzbijanje smetnji za induktivnu bežičnu komunikaciju podataka predložena u ovom radu bavi se samo suzbijanjem šuma na prijemnoj strani. Za elektronsku opremu koja radi u teškim industrijskim okruženjima, moraju se implementirati dodatne mjere kao što su uzemljenje i zaštita; ovo su van okvira ovog rada.