1 Indledning
I industriel automation er kablede kommunikationsmetoder til datatransmission mellem mobile køretøjer og centrale kontrolrum ubelejlige på grund af behovet for at trække kommunikationskabler; trådløse kommunikationsmetoder lider på den anden side af høje fejlprocenter på grund af de barske forhold i industrielle miljøer. Induktion-baseret trådløs datakommunikation (datatransmission via induktionsradio) bruger elektromagnetisk induktion mellem et kodet kabel (også kendt som en induktionsbus) og en induktionsantenne til at udveksle information. Fordi den trådløse kommunikationsrækkevidde er strengt begrænset til 5-20 cm, sikrer denne metode både fleksibiliteten af lokomotivets bevægelse og pålideligheden af kommunikationskvaliteten, samtidig med at den muliggør realtidssporing af det bevægelige lokomotivs position under kommunikation.
Elektrisk udstyr i industrielle omgivelser, især reguleringsanordninger med variabel-frekvens på lokomotiver i bevægelse, kan generere stærke harmoniske, der er identiske med eller ligner bærefrekvensen for induktiv trådløs datakommunikation. Denne ko-interferens kan ikke dæmpes af båndpasfiltre. Hvis der ikke træffes effektive foranstaltninger ved indgangen for at undertrykke den, vil fejlraten for induktiv trådløs datakommunikation stige betydeligt, hvilket potentielt vil gøre systemet ubrugeligt. Fase I koksovnens elektriske system eftermontering hos Baosteel brugte udstyr importeret fra Japan. I den faktiske drift blev "hyppige afbrydelser i induktionsskinnekommunikationen observeret, med analyse, der tilskrev årsagen til tilfældig stærk interferens og antennedetekteringsforvrængning." Som følge heraf er induktiv trådløs teknologi i nogle praktiske anvendelser blevet forladt til datakommunikation, hvor kun induktiv trådløs positionsdetektionsteknologi er blevet vedtaget.
For at undertrykke interferens i induktiv trådløs datakommunikation har eksperter og forskere på området udført omfattende forskning. En undersøgelse foreslog en induktiv trådløs differentiel modtageantennekonfiguration, mens en anden foreslog en metode, der bruger dobbelte modtageantenner med en enkelt transmissionslinje. Den "krydsede dobbelte transmissionslinjer med en enkelt modtageantenne med lige stor afstand"-ko-kanalinterferensundertrykkelsesteknik til induktiv trådløs datakommunikation, som præsenteres i dette dokument, kan effektivt undertrykke ko-kanalinterferensstøj, forbedre signal-til-støjforholdet og er velegnet til jordpositionsbaseret{6}}.
2 Grundlæggende principper for induktiv trådløs datakommunikation
For at analysere princippet, hvorved co-kanalinterferensundertrykkelsesteknologi forbedrer signal-til-støjforholdet i induktiv trådløs datakommunikation, giver vi først en kort analyse og introduktion til de grundlæggende principper for induktiv trådløs datakommunikation.
2.1 Kodet kabel og induktiv antenne
Det kodede kabel er fladt i form og indeholder flere par transmissionslinjer, der krydser på bestemte punkter i henhold til et defineret kodeskema. Det kodede kabel er installeret langs sporene af det mobile lokomotiv, med den ene ende forbundet til det centrale kontrolrum.
Induktionsantennen består af to sæt spoler-den ene tjener som senderantenne og den anden som modtagerantenne-indkapslet i en plastikboks, almindeligvis omtalt som antenneboksen. Antenneboksen monteres på det bevægelige lokomotiv og tilsluttes lokomotivets styreskab. Antenneboksen bevæger sig med lokomotivet og holder hele tiden en afstand på 5–20 cm fra det kodede kabel. Se figur 1.
Når antenneboksen er placeret tæt på det kodede kabel, inducerer hvert par transmissionslinjer i det kodede kabel en respons i spolerne i antenneboksen, hvorved der etableres en trådløs kommunikationskanal med kort rækkevidde mellem antenneboksen og det kodede kabel.
2.2 Analyse af amplitude og fase af det inducerede signal
Figur 2 viser et skematisk diagram af transmissionsledningen L lagt fladt langs antennespolen. I figur 2 er antennens bredde og afstanden mellem de to krydsende transmissionslinjer i det kodede kabel begge lig med W, hvor W=2r.
Definition: Antennespolens midtpunkt er defineret som antennespolens position; området mellem to skæringspunkter af transmissionslinjen L omtales som område K af transmissionslinjen L (K=I, II, III, …), og afstanden d repræsenterer afvigelsen af antennespolens position x fra midterlinjen af det tilsvarende område K.
Ved at bruge antennespolen som sendespolen analyserer vi den inducerede elektromotoriske kraft e genereret i kommunikationstransmissionslinjen. Ifølge teorien om elektromagnetisk induktion, når en strøm i=Imsinωt strømmer gennem antennespolen, er den inducerede emf e i transmissionslinjen e=di/dt. Her er den gensidige induktanskoefficient M en funktion af antennespolens position (x, y, z). Hvis vi antager, at y og z forbliver konstante, når antennespolen bevæger sig langs x--retningen, så:
e=f(x)ωImcosωt
Fordi der er et kryds, er den inducerede emf eI genereret i region I af transmissionslinjen ude af fase med den inducerede emf eII genereret i region II. Hvis vi tager fasen af eI som reference, lad
Når n er lige, er den inducerede emf e i transmissionslinjen i fase med eI; når n er ulige, er e ude af fase med eI, og fasekoefficienten er (–1)n.
Når afstanden z mellem sendespolen og det kodede kabel er lille, kan de magnetiske fluxlinjer, der genereres af sendespolen, tilnærmes som værende ensartet fordelt langs x-retningen og passerer vinkelret gennem transmissionslinjen. Derfor er størrelsen A af den inducerede elektromotoriske kraft e genereret i transmissionsledningen proportional med transmissionslinjens effektive induktionsareal. Som vist i figur 2, når antennespolen er i position 1 (d=0), er det effektive induktionsområde S=W × B på sit maksimum, og A=Amax. Ved position d=r af antennespole 3, det effektive induktionsområde S=0 og A=0. Ved positionen af antennespole 2, det effektive induktionsområde S=(W – 2d) × B. Vi opnår:
Omvendt, hvis en strøm føres gennem kommunikationstransmissionslinjen, og antennespolen bruges som modtagespolen, gælder ligning (1) til (3) stadig baseret på princippet om gensidig induktans.
3 Interferensstøjdæmpningsteknikker
For at undertrykke interferens, især co-kanalinterferensstøj, er den mest effektive tilgang at forhindre interferensstøj i at trænge ind i den modtagende ende. Derfor er designfilosofien som følger: Ved at implementere et rimeligt design for modtagerenden i kontrolrummet-den kodede kabelkommunikationstransmissionslinje-og modtagerenden på køretøjet-dæmpes den modtagende antenne-interferensstøj, mens kommunikationssignalerne dæmpes, ikke engang dæmpes så lidt som muligt, eller endda dæmpes så lidt som muligt. at nå målet om at forbedre signal-til-støjforholdet.
3.1 Design af to transmissionsledninger, der krydser en enkelt modtageantenne med lige stor afstand
I "designet af to transmissionslinjer, der krydser en enkelt modtageantenne med lige stor afstand," er to par krydsede kommunikationstransmissionslinjer, LO og L1, anbragt inden i det kodede kabel. Der anvendes en enkelt sendeantenne og en enkelt modtageantenne; modtageantennen er dannet af viklingsledere i et krydset mønster over flere vindinger og kan derfor anses for at bestå af modtagespole 1 og modtagespole 2. Afstanden mellem de krydsede transmissionsledninger, afstanden mellem de krydsede modtageantenner og bredden af sendespolen er vist på figur W. Som vist på figur W.3.
Figur 3(a) viser den faktiske struktur og et skematisk diagram af operationen. fig. 3(b) er et forenklet skematisk diagram af transmissionslinjerne LO og L1, sendeantennen og modtageantennen, lagt fladt ud for at lette analyse; i faktiske applikationer, B=20 cm.
3.2 Analyse af transmissionslinjeinterferensundertrykkelse
Når der tilføres en signalstrøm til sendeantennen på lokomotivet, modtager kontrolcentralen signalet via kommunikationstransmissionslinjerne. For at undertrykke interferensstøj krydses transmissionslinjen L0 med regelmæssige intervaller på W. På afstand fremstår dette som et snoet -par kabel, der giver interferensstøjundertrykkelse i området fra flere dB til 30 dB med et gennemsnit på så meget som 15 dB.
For kommunikationssignaler, ifølge ligning (3), er amplituden AL0 af det inducerede signal på kommunikationstransmissionslinjen L0 en funktion af antennepositionen x. Når midten af sendespolen er justeret med et hvilket som helst skæringspunkt på L0, AL0=0, hvilket resulterer i en kanaldødzone. For at undgå denne situation er et yderligere par kommunikationstransmissionslinjer, L1, anbragt inden i kodningskablet, med deres skæringspunkter forskudt fra L0's, som vist i figur 3. Lad d0 og d1 repræsentere de afstande, hvormed positionen x af sendespolen er forskudt fra centerlinierne af henholdsvis L0 og L1 transmissionslinjerne; derefter, r=d0 + d1. Lad eLO repræsentere signalet induceret af transmissionslinjen L0, og eL1 repræsentere signalet induceret af transmissionslinjen L1. I kontrolrummets elektroniske udstyr summeres signalet e'L1-som er eL1 forskudt 90 grader - med eL0 for at opnå det sammensatte signal e. Ifølge ligning (2) har vi:
På dette tidspunkt er sendeantennen i den værst mulige position. Vektordiagrammet for e er vist i figur 4.
Ovenstående analyse indikerer, at modtageren med krydset dobbelt-transmission-linje vist i figur 3 er yderst effektiv til at undertrykke interferensstøj. For kommunikationssignaler er der en dæmpning på 3 dB, når sendeantennen er i den værste-position.
3.3 Analyse af interferensundertrykkelse af modtageantennen
Til interferensstøj består traditionelle modtageantenner af enkeltspoler uden kryds-kobling og mangler interferensmodstand. Modtagelsesantennen vist i figur 3 har imidlertid modtagespoler 1 og 2, der er krydsede. Under drift i marken er interferensstøjens elektromotoriske kræfter eN1 og eN2 induceret i de to spoler ude af fase. Hvis de elektromagnetiske støjbølger er ensartet fordelt inden for et lille 2W-område langs x-retningen af modtagerantennen, så er eN1=−eN2, og den elektromotoriske støjkraft, der udvindes af modtageantennen, eN, er eN1=eN1=eN
For kommunikationssignaler forstærkes og transmitteres det modulerede signal f0, der skal transmitteres af det centrale kontrolrum; signalet f1 (som er 90 grader ude af fase med f0) forstærkes og transmitteres via transmissionsledningen L1. Disse to signaler genererer et kombineret elektromagnetisk felt i rummet nær kodningskablet, som detekteres og modtages af modtagerantennen, der er placeret nær kodningskablet. Da f0 og f1 er ortogonale, undgås kanaldøde zoner. De inducerede signaler genereret i en traditionel modtageantenne er beskrevet af ligning (6). Som vist i figur 3 genererer modtageantennen inducerede elektromotoriske kræfter e(1) og e(2) i henholdsvis modtagespoler 1 og 2. På grund af egenskaberne ved ækvidistant krydsning, opfylder modtagerantennen følgende på enhver position:
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); ifølge ligning (6) er størrelserne af e(1) og e(2) lige store;
(2) Hvis det elektromagnetiske felt genereret i område K af transmissionslinjen Li (i=0, 1) dominerer modtagespole 1, så dominerer det elektromagnetiske felt genereret i område K+1 modtagelsesspole 2. På grund af krydsningen af transmissionslinjerne er det elektromagnetiske felt genereret i område K+1 ude af fase med det, der genereres med coil-region K2. to faseinversioner bliver faserne af e(1) og e(2) de samme.
Derfor er den inducerede elektromotoriske kraft e=e(1) + e(2)=2e(1) ekstraheret af modtageantennen fra kommunikationssignalet dobbelt så stor som en konventionel modtageantenne.
Derudover, når sendespolen sender et signal, er spændingen over begge ender af sendespolen 200 Vp-p. For at forhindre, at det stærke transmitterede signal beskadiger modtagerens forforstærkerkredsløb, placeres sendespolen mellem de to spoler på modtagerantennen. På denne måde er den elektromotoriske kraft, der induceres i modtageantennen af sendeantennesignalet, tilnærmelsesvis nul.
3.4 Eksperimentel analyse af modtageantenneinterferensundertrykkelse
De eksperimentelle betingelser var som følger: den samlede længde af transmissionsledningen var 3 m, og W=20 mm. Et sæt faktisk induktivt trådløst datakommunikationsudstyr blev brugt med en kommunikationshastighed på 4800 b/s, FSK-modulation og en bærefrekvens på 49 kHz. Under normal drift var spidsstrømmen af det modulerede signal, der passerede gennem L0, 0,07 A; spidsstrømmen af det modulerede signal, der passerede gennem sendeantennespolen, var 0,38 A.
Under eksperimentet blev afstanden z mellem sendespolen og det kodede kabel holdt på 200 mm, og midten af sendespolen blev holdt på linje med en krydsning af L0. Under disse forhold blev amplituden af den inducerede signalspænding på transmissionslinjen L1 målt til at være VL1=25 mVp-p, og amplituden af den inducerede signalspænding på modtagerantennen blev målt til at være VA=20 mVp-p.
Hvis en signalgenerator bruges som interferenskilde og et par parallelle ledninger bruges til kobling for at inducere interferens, se figur 5. Signalgeneratoren udsender en interferensspænding v=Vm sin(2πft), hvor f=49 kHz og R=130 Ω.
Eksperimentet vist i figur 5(a) svarer til interferens i en konventionel modtageantenne, mens eksperimentet vist i figur 5(b) svarer til interferens i de krydsede spoler af en modtageantenne. Lad VNm (peak-to-peak) angive den interferens-inducerede elektromotoriske kraft udtrukket fra modtageantennen. Tabel 1 viser dataene for begge forsøg.
Eksperimentelle resultater viser, at systemet opnår en støjdæmpning på op til 48 dB. De teoretiske og eksperimentelle analyser præsenteret ovenfor viser, at brugen af ækvidistante krydsede modtageantenner ikke kun giver stærk interferensstøjundertrykkelse, men tilbyder også en 6 dB forstærkning i kommunikationssignaler sammenlignet med traditionelle modtageantenner, og derved forbedrer signal-til-støjforholdet betydeligt.
4 Konklusion
Interferensundertrykkelsesteknikken, der involverer "krydsning af dobbelte transmissionslinjer med en enkelt modtageantenne på lige store afstande" er blevet anvendt i et computer-baseret centraliseret kontrolstyringssystem til mobile lokomotiver, der anvender induktiv trådløs teknologi. I praktiske applikationer har denne teknik vist sig effektiv til at undertrykke interferens i industrielle miljøer, især til effektivt at undertrykke sam-kanalinterferens genereret af enheder til styring af variabel-frekvenshastighed, og derved sikre pålideligheden af datakommunikation. Den interferensundertrykkelsesteknologi til induktiv trådløs datakommunikation, der er foreslået i dette dokument, adresserer naturligvis kun støjundertrykkelse i den modtagende ende. For elektronisk udstyr, der opererer i barske industrielle miljøer, skal yderligere foranstaltninger såsom jordforbindelse og afskærmning implementeres; disse ligger uden for dette papirs rammer.