1 Увод
У индустријској аутоматизацији, жичне комуникационе методе за пренос података између мобилних возила и централних контролних просторија су незгодне због потребе за повлачењем комуникационих каблова; бежичне комуникационе методе, с друге стране, пате од високих стопа грешака због тешких услова индустријског окружења. Индукциона{1}}базирана бежична комуникација података (пренос података путем индукционог радија) користи електромагнетну индукцију између кодираног кабла (познатог и као индукциона магистрала) и индукционе антене за размену информација. Пошто је опсег бежичне комуникације стриктно ограничен на 5–20 цм, овај метод обезбеђује и флексибилност кретања локомотиве и поузданост квалитета комуникације, истовремено омогућавајући-праћење у реалном времену положаја покретне локомотиве током комуникације.
Електрична опрема у индустријским окружењима, посебно уређаји за контролу брзине{0}}променљиве фреквенције на покретним локомотивама, могу да генеришу јаке хармонике који су идентични или слични фреквенцији носиоца индуктивне бежичне комуникације података. Ова ко{2}}кофреквентна сметња се не може ублажити пропусним филтерима. Ако се на улазу не предузму ефикасне мере за његово сузбијање, стопа грешака индуктивне бежичне комуникације података ће се значајно повећати, што потенцијално чини систем неоперативним. Реконструкција електричног система фазе И коксне пећи у Баостеел-у је користила опрему увезену из Јапана. У стварном раду, „уочени су чести прекиди у комуникацији на индукционој сабирници, при чему је анализа приписивала узрок насумичним јаким сметњама и изобличењу детекције антене“. Сходно томе, у неким практичним применама, индуктивна бежична технологија је напуштена за комуникацију података, при чему је усвојена само индуктивна бежична технологија детекције положаја.
Да би сузбили сметње у индуктивној бежичној комуникацији података, стручњаци и научници из ове области спровели су опсежна истраживања. Једна студија је предложила конфигурацију индуктивне бежичне диференцијалне пријемне антене, док је друга предложила метод који користи двоструке пријемне антене са једном линијом преноса. „Укрштене дуалне линије преноса са једном пријемном антеном на једнаком размаку“ техника сузбијања сметњи на ко- каналу за индуктивну бежичну комуникацију података представљена у овом раду може ефикасно да потисне шум сметњи на ко-каналном каналу, побољша однос сигнала- према-шуму и погодна је за детекцију базног положаја{6} на земљи.
2 Основни принципи индуктивне бежичне комуникације података
Да бисмо анализирали принцип по коме технологија за сузбијање сметњи ко-канала побољшава однос сигнала-и-шума у индуктивној бежичној комуникацији података, прво пружамо кратку анализу и увод у основне принципе индуктивне бежичне комуникације података.
2.1 Кодирани кабл и индуктивна антена
Кодирани кабл је равног облика и садржи неколико парова далековода који се укрштају у одређеним тачкама према дефинисаној шеми кодирања. Кодирани кабл је постављен дуж колосека покретне локомотиве, једним крајем повезан са централном контролном собом.
Индукциона антена се састоји од два сета намотаја-један који служи као антена предајника, а други као антена пријемника-упакован у пластичну кутију, која се обично назива кутија за антену. Антенска кутија је постављена на покретну локомотиву и повезана са командним орманом локомотиве. Антенска кутија се креће заједно са локомотивом и све време одржава растојање од 5–20 цм од кодираног кабла. Види слику 1.
Када је антенска кутија постављена близу кодираног кабла, сваки пар далековода у кодираном каблу индукује одговор у намотајима унутар антенске кутије, чиме се успоставља -бежични комуникациони канал кратког домета између антенске кутије и кодираног кабла.
2.2 Анализа амплитуде и фазе индукованог сигнала
Слика 2 приказује шематски дијаграм далековода Л положеног равно дуж антенског намотаја. На слици 2, ширина антене и размак између два укрштања далековода у кодираном каблу су оба једнака В, где је В=2р.
Дефиниција: Централна тачка завојнице антене је дефинисана као положај антенског намотаја; регион између два пресека далековода Л се назива регион К далековода Л (К=И, ИИ, ИИИ, …), а растојање д представља одступање положаја намотаја антене к од средишње линије одговарајућег региона К.
Користећи калем антене као предајни калем, анализирамо индуковану електромоторну силу е генерисану у комуникационој далеководу. Према теорији електромагнетне индукције, када струја и=Имсинωт протиче кроз калем антене, индукована емф е у далеководу је е=ди/дт. Овде је коефицијент међусобне индуктивности М функција положаја намотаја антене (к, и, з). Под претпоставком да и и з остају константни док се завојница антене креће дуж к-смера, онда:
е=ф(к)ωИмцосωт
Пошто постоји спој, индукована емф еИ генерисана у региону И преносног вода није у фази са индукованом емф еИИ генерисаном у региону ИИ. Ако узмемо фазу еИ као референцу, нека
Када је н паран, индукована емф е у далеководу је у фази са еИ; када је н непарно, е је ван фазе са еИ, а фазни коефицијент је (–1)н.
Када је растојање з између предајног намотаја и кодираног кабла мало, линије магнетног флукса које генерише предајни калем могу се апроксимирати као да су равномерно распоређене дуж к- правца и пролазе управно кроз далековод. Према томе, величина А индуковане електромоторне силе е генерисане у далеководу је пропорционална ефективној индукционој површини далековода. Као што је приказано на слици 2, када је калем антене на позицији 1 (д=0), ефективна област индукције С=В × Б је на свом максимуму, а А=Амак. На позицији д=р намотаја антене 3, ефективна индукциона површина С=0, и А=0. На позицији намотаја антене 2, ефективна област индукције С=(В – 2д) × Б. Добијамо:
Супротно томе, ако се струја пропушта кроз комуникациони преносни вод и калем антене се користи као пријемни калем, једначине (1) до (3) и даље важе на основу принципа међусобне индуктивности.
3 Технике сузбијања сметњи
Да би се сузбиле сметње, посебно шум сметњи ко{0}}канала, најефикаснији приступ је да се спречи да шум сметњи уђе на пријемну страну. Према томе, филозофија дизајна је следећа: применом разумног дизајна за пријемни крај у контролној соби-кодирани кабловски комуникациони вод-и пријемни крај на возилу-пријемна антена-сметње се пригушују док су комуникациони сигнали пригушени што је више могуће, а не пригушени ни на најмању могућу меру, чак ни пригушени. постизање циља побољшања односа сигнал-на-шум.
3.1 Дизајн две линије преноса које прелазе једну пријемну антену на једнаком размаку
У „дизајну два далековода који прелазе једну пријемну антену на једнаком размаку“, два пара укрштених комуникационих далековода, Л0 и Л1, су распоређени унутар кодираног кабла. Користе се једна антена за одашиљање и једна антена за пријем; пријемна антена је формирана од проводника укрштених намотаја у више завоја, и стога се може сматрати да се састоји од пријемног намотаја 1 и пријемног намотаја 2. Размак између укрштених далековода, размак између укрштених пријемних антена и ширина предајног намотаја су 3. Као што је приказано на слици на слици.
Слика 3(а) приказује стварну структуру и шематски дијаграм операције. Слика 3(б) је поједностављени шематски дијаграм далековода Л0 и Л1, антене за одашиљање и пријемне антене, постављених равно ради лакше анализе; у стварним применама, Ш=20 цм.
3.2 Анализа потискивања сметњи у далеководима
Када се сигнална струја примени на предајну антену на локомотиви, контролни центар прима сигнал преко комуникационих далековода. Да би се сузбио шум сметњи, далековод Л0 се прелази у правилним интервалима од В. Из даљине, ово изгледа као кабл са упреденом паром, који обезбеђује сузбијање сметње у распону од неколико дБ до 30 дБ, са просечном јачином од чак 15 дБ.
За комуникационе сигнале, према једначини (3), амплитуда АЛ0 индукованог сигнала на комуникационој преносној линији Л0 је функција положаја антене к. Када је центар предајног калема поравнат са било којом тачком пресека на Л0, АЛ0=0, што доводи до мртве зоне канала. Да би се избегла ова ситуација, додатни пар комуникационих далековода, Л1, је распоређен унутар кабла за кодирање, са њиховим пресечним тачкама помереним од оних на Л0, као што је приказано на слици 3. Нека д0 и д1 представљају растојања за које је позиција к предајног калема померена од средишњих линија Л0 и Л1 далековода, респективно; онда, р=д0 + д1. Нека еЛ0 представља сигнал индукован преносном линијом Л0, а еЛ1 представља сигнал индукован далеководом Л1. У електронској опреми контролне собе, сигнал е'Л1-који је еЛ1 померен за 90 степени -сабира се са еЛ0 да би се добио композитни сигнал е. Према једначини (2), имамо:
У овом тренутку, антена за пренос је у најгорем могућем положају. Векторски дијаграм е приказан је на слици 4.
Горња анализа показује да је пријемник укрштених дуалних-преносних-вода приказан на слици 3 веома ефикасан у сузбијању сметњи. За комуникационе сигнале, постоји слабљење од 3 дБ када је антена за пренос у најгорем- положају.
3.3 Анализа потискивања сметњи од стране пријемне антене
Што се тиче шума сметњи, традиционалне пријемне антене се састоје од појединачних намотаја без унакрсне{0}}спојнице и немају отпорност на сметње. Пријемна антена приказана на слици 3, међутим, има пријемне калемове 1 и 2 који су укрштени. Током рада у пољу, електромоторне силе интерференције еН1 и еН2 индуковане у два намотаја су ван фазе. Ако су шумни електромагнетни таласи равномерно распоређени унутар малог подручја од 2В дуж к-смера пријемне антене, онда је еН1=−еН2, а електромоторна сила шума коју издваја пријемна антена, еН, је еН{13}}14} еН
За комуникационе сигнале, модулисани сигнал ф₀ који треба да се емитује из централне контролне собе се појачава и преноси преко далековода Л₀; сигнал ф₁ (који је 90 степени ван фазе са ф₀) се појачава и преноси преко далековода Л₁. Ова два сигнала генеришу комбиновано електромагнетно поље у простору близу кабла за кодирање, које детектује и прима пријемна антена која се налази у близини кабла за кодирање. Пошто су ф₀ и ф₁ ортогонални, мртве зоне канала се избегавају. Индуковани сигнали генерисани у традиционалној пријемној антени су описани једначином (6). Као што је приказано на слици 3, пријемна антена генерише индуковане електромоторне силе е(1) и е(2) у пријемним калемовима 1 и 2, респективно. Због карактеристика еквидистантног укрштања, пријемна антена задовољава следеће на било којој позицији:
(1) д0(1)=д0(2), д1(1)=д1(2); према једначини (6), величине е(1) и е(2) су једнаке;
(2) Ако електромагнетно поље генерисано у региону К далековода Ли (и=0, 1) доминира пријемним калемом 1, тада електромагнетно поље генерисано у региону К+1 доминира пријемним калемом 2. Због укрштања далековода, електромагнетно поље генерисано у региону К{6} је генерисано у региону К{6}. калем 2 се укршта са пријемним калемом 1, након две инверзије фазе, фазе е(1) и е(2) постају исте.
Због тога је индукована електромоторна сила е=е(1) + е(2)=2е(1) коју извлачи пријемна антена из комуникационог сигнала двоструко већа од конвенционалне пријемне антене.
Поред тога, када калем за пренос шаље сигнал, напон на оба краја калем за пренос је 200 Вп-п. Да би се спречило да јак емитовани сигнал оштети коло претпојачала пријемника, предајни калем се поставља између два намотаја пријемне антене. На овај начин, електромоторна сила индукована у пријемној антени сигналом предајне антене је приближно нула.
3.4 Експериментална анализа потискивања сметњи пријемне антене
Експериментални услови су били следећи: укупна дужина далековода је била 3 м, а В=20 мм. Коришћен је сет стварне индуктивне опреме за бежичну комуникацију података, са брзином комуникације од 4800 б/с, ФСК модулацијом и носећом фреквенцијом од 49 кХз. Током нормалног рада, вршна струја модулисаног сигнала који пролази кроз Л0 била је 0,07 А; вршна струја модулисаног сигнала који пролази кроз калем предајне антене била је 0,38 А.
Током експеримента, растојање з између предајног калема и кодираног кабла је одржавано на 200 мм, а центар предајног калема је држан у равни са једним прелазом Л0. Под овим условима, амплитуда индукованог напона сигнала на далеководу Л1 је измерена на ВЛ1=25 мВп-п, а амплитуда индукованог напона сигнала на пријемној антени је ВА=20 мВп-п.
Ако се генератор сигнала користи као извор сметњи и пар паралелних жица се користи за спајање ради изазивања сметњи, погледајте слику 5. Генератор сигнала емитује напон сметње в=Вм син(2πфт), где је ф=49 кХз и Р=130 Ω.
Експеримент приказан на слици 5(а) одговара сметњи у конвенционалној пријемној антени, док експеримент приказан на слици 5(б) одговара сметњи у укрштеним калемовима пријемне антене. Нека ВНм (пеак-до-пеак) означава електромоторну силу изазвану сметњама-извучену из пријемне антене. Табела 1 представља податке за оба експеримента.
Експериментални резултати показују да систем постиже супресију сметњи до 48 дБ. Теоријске и експерименталне анализе приказане изнад показују да употреба еквидистантних укрштених пријемних антена не само да обезбеђује снажно потискивање шума сметњи, већ нуди и повећање од 6 дБ у комуникационим сигналима у поређењу са традиционалним пријемним антенама, чиме се значајно побољшава однос-према-шуму.
4 Закључак
Техника сузбијања сметњи која укључује „укрштање двоструких далековода са једном пријемном антеном на једнаким растојањима“ примењена је у компјутерском{0}}базираном централизованом систему управљања управљањем за мобилне локомотиве који користи индуктивну бежичну технологију. У практичним применама, ова техника се показала ефикасном у сузбијању сметњи у индустријским окружењима, посебно у ефикасном сузбијању сметњи на ко-каналном нивоу коју стварају уређаји за контролу брзине променљиве{3}}фреквенције, чиме се обезбеђује поузданост комуникације података. Наравно, технологија за сузбијање сметњи за индуктивну бежичну комуникацију података предложена у овом раду бави се само сузбијањем шума на пријемном крају. За електронску опрему која ради у тешким индустријским окружењима, морају се применити додатне мере као што су уземљење и заштита; ово су ван оквира овог рада.