感應(yīng)無(wú)線數(shù)據(jù)通信中同頻干擾抑制

1 引言

工業(yè)自動(dòng)化中，對(duì)于移動(dòng)機(jī)車和中央控制室之間的數(shù)據(jù)通信，有線通信方式由于拖帶通信電纜使用不方便；無(wú)線通信方式由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣造成誤碼率高。感應(yīng)無(wú)線數(shù)據(jù)通信（data transmission by induction radio）[1]，利用編碼電纜（又稱誘導(dǎo)母線）與感應(yīng)天線之間的電磁感應(yīng)交換信息，因?yàn)橛星覂H有5－20cm的無(wú)線通信距離，所以既能保證機(jī)車移動(dòng)的靈活性又確保了通信質(zhì)量的可靠性，并且能在通信過(guò)程中同步檢測(cè)移動(dòng)機(jī)車的位置[2]。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備，尤其是移動(dòng)機(jī)車上的變頻調(diào)速裝置，能產(chǎn)生強(qiáng)烈的且與感應(yīng)無(wú)線數(shù)據(jù)通信載波頻率相同或相近的諧波，這種同頻干擾噪聲，無(wú)法用帶通濾波器衰減，如果不在輸入端采取有效措施進(jìn)行抑制，就會(huì)使得感應(yīng)無(wú)線數(shù)據(jù)通信的誤碼率大大提高，甚至不能正常工作。寶鋼一期焦?fàn)t三電改造應(yīng)用的是日本進(jìn)口設(shè)備，實(shí)際工作中，“存在誘導(dǎo)母線通信經(jīng)常中斷現(xiàn)象，分析原因?yàn)殡S機(jī)強(qiáng)干擾和天線檢測(cè)失真[3]”。因此，使得感應(yīng)無(wú)線技術(shù)在一些實(shí)際應(yīng)用中放棄了感應(yīng)無(wú)線數(shù)據(jù)通信而僅采用感應(yīng)無(wú)線位置檢測(cè)技術(shù)。

為了在感應(yīng)無(wú)線數(shù)據(jù)通信中抑制干擾，同行專家學(xué)者做了許多有益的研究。文獻(xiàn)[4]提出感應(yīng)無(wú)線差分式接收天線裝置；文獻(xiàn)[5]提出雙接收天線單傳輸線的方法。本文給出的“雙傳輸線與單接收天線同間距交叉”的感應(yīng)無(wú)線數(shù)據(jù)通信同頻干擾抑制技術(shù)[6]，能有效抑制同頻干擾噪聲，提高信噪比，并且適合于地面位置檢測(cè)。

2 感應(yīng)無(wú)線數(shù)據(jù)通信基本原理

為了分析在感應(yīng)無(wú)線數(shù)據(jù)通信中同頻干擾抑制技術(shù)提高信噪比的原理，先對(duì)感應(yīng)無(wú)線數(shù)據(jù)通信的基本原理作簡(jiǎn)要分析介紹。

2.1 編碼電纜與感應(yīng)天線

編碼電纜的外形為扁平狀態(tài)，內(nèi)部有若干對(duì)傳輸線，按照一定的編碼規(guī)規(guī)則在不同的位置交叉。編碼電纜沿著移動(dòng)機(jī)車軌道安裝，始端連接到中控室。

感應(yīng)天線包含兩組線圈，一組作為發(fā)送天線，一組作為接收天線，封裝在塑料箱內(nèi)，俗稱為天線箱。天線箱安裝在移動(dòng)機(jī)車上，與機(jī)車上的控制柜連接。天線箱隨著機(jī)車一起移動(dòng)，并始終與編碼電纜保持5－20cm的距離。見(jiàn)圖1。

當(dāng)天線箱與編碼電纜靠近時(shí)，編碼電纜中每一對(duì)傳輸線與天線箱中的線圈相互感應(yīng)，于是天線箱與編碼電纜之間形成了一個(gè)短距離的無(wú)線通信信道。

2.2 感應(yīng)信號(hào)的幅度與相位分析

圖2是傳輸線l與天線線圈平鋪示意圖，圖2中天線寬度與編碼電纜中通信傳輸線兩交叉間距相等都為w，w＝2r。

定義：以天線線圈中心點(diǎn)為天線線圈位置；傳輸線l兩交叉間的區(qū)域稱為傳輸線l的k區(qū)域（k＝ⅰ，ⅱ，ⅲ，…），天線線圈位置x偏離x所在k區(qū)域中心線距離為d。

以天線線圈作為發(fā)送線圈，對(duì)通信傳輸線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e進(jìn)行分析。根據(jù)電磁感應(yīng)理論，當(dāng)天線線圈中通過(guò)電流i＝imsinωt時(shí)，傳輸線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e＝di/dt，此處，互感系數(shù)m是天線線圈位置（x，y，z）的函數(shù)，假定天線線圈沿x方向移動(dòng)時(shí)y，z不變，則：

由于有一個(gè)交叉，傳輸線i區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ei與ⅱ區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)eⅱ相位相反。若以ei的相位作為標(biāo)準(zhǔn)，令:,則當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)，傳輸線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與ei相位相同；n為奇數(shù)時(shí)，e與ei相位相反，則相位系數(shù)為（－1）n。

當(dāng)發(fā)送線圈與編碼電纜之間距離z較小時(shí)，近似任務(wù)發(fā)送線圈產(chǎn)生的磁力線沿x方向均勻分布且垂直穿過(guò)傳輸線，因此，傳輸線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的幅度a與傳輸線有感應(yīng)面積成正比，比圖2所示，天線線圈1位置d＝0，有效感應(yīng)面積s＝w×b為最大，a＝amax。天線線圈3位置d＝r，有效感應(yīng)面積s＝0，a＝0。天線線圈2位置，有效感應(yīng)面積s＝（w－2d）×b。得到：

反過(guò)來(lái)，若在通信傳輸線中通過(guò)電流，以天線線圈作為接收線圈，根據(jù)互感原理，式（1）－（3）仍然成立。

3 干擾噪聲抑制技術(shù)

為了抑制干擾，特別是抑制同頻干擾噪聲，最為有效的辦法是在接收端不讓干擾噪聲侵入。因此，設(shè)計(jì)思想是：對(duì)中控室的接收端——編碼電纜通信傳輸線和車上接收端——接收天線采取合理設(shè)計(jì)，衰減干擾噪聲，而盡量少衰減、不衰減、甚至增強(qiáng)通信信號(hào)，達(dá)到提高信噪比的目的。

3.1 雙傳輸線與單接收天線同間距交叉設(shè)計(jì)

“雙傳輸線與單接收天線同間距交叉”的設(shè)計(jì)，在編碼電纜中安排兩對(duì)交叉的通信傳輸線l0，l1；采用一個(gè)發(fā)送天線，一個(gè)接收天線，接收天線由導(dǎo)線按交叉方式多匝繞制，故可以看成有接收線圈1和接收線圈2。傳輸線交叉間距、接收天線交叉間距、發(fā)送線圈寬度均為w。如圖3所示。

圖3（a）是實(shí)際結(jié)構(gòu)及工作示意圖。圖3（b）是為了分析方便，所做的傳輸線l0，l1，發(fā)送天線、接收天線平鋪示意圖，實(shí)際應(yīng)用中取w＝20cm。

3.2 傳輸線接收干擾抑制分析

當(dāng)機(jī)車上在發(fā)送天線中加入信號(hào)電流時(shí)，中控室從通信傳輸線上接收信號(hào)，為了抑制干擾噪聲，將通信傳輸線l0每隔一定的距離w交叉一次，從遠(yuǎn)距離看這是一對(duì)雙絞線，其抑制干擾噪聲的作用可達(dá)幾個(gè)db至30db，平均為15db之多[7]。

對(duì)于通信信號(hào)，根據(jù)式（3），通信傳輸線l0上感應(yīng)信號(hào)幅度al0是天線位置x的函數(shù)，當(dāng)發(fā)送線圈中心對(duì)準(zhǔn)l0上任何一個(gè)交叉點(diǎn)時(shí)，al0＝0，出現(xiàn)信道死區(qū)。為了避免這種情況，在編碼電纜中安排另外一對(duì)通信傳輸線l1，其交叉點(diǎn)與l0錯(cuò)開(kāi)，見(jiàn)圖3。令d0，d1分別表示發(fā)送線圈位置x偏移x所在l0傳輸線、l1傳輸線的區(qū)域中心線的距離，則有r＝d0＋d1。令el0代表傳輸線l0感應(yīng)的信號(hào)，el1代表傳輸線l1感應(yīng)的信號(hào)，在中控室電子設(shè)備中，將el1移相90°后的信號(hào)el1和el0求和，得到合成信號(hào)e。根據(jù)式（2）得：

合成信號(hào)e的幅度a對(duì)d0求導(dǎo)，求得當(dāng)d0＝d1＝r/2時(shí)有最小值，此時(shí)，發(fā)送天線處于最不利的位置。e的矢量圖見(jiàn)圖4。

以上分析表明，采用圖3所示交叉的雙傳輸線接收，具有較強(qiáng)的抑制干擾噪聲的作用。對(duì)于通信信號(hào)，當(dāng)發(fā)送天線處于最不利位置時(shí)，有3db的衰減。

3.3 接收天線接收時(shí)干擾抑制分析

對(duì)于干擾噪聲，傳統(tǒng)的接收天線是沒(méi)有交叉的單線圈，沒(méi)有抗干擾能力，圖3所示的接收天線由于接收線圈1與接收線圈2交叉，在現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)，兩個(gè)線圈所感應(yīng)的干擾噪聲電動(dòng)勢(shì)en1，en2，相位相反。若在接收天線沿x方向的2w小范圍內(nèi)，噪聲電磁波均勻分布，那么，en1＝－en2，接收天線提取的噪聲電動(dòng)勢(shì)en＝en1＋en2＝0。

對(duì)于通信信號(hào)，中控室要發(fā)送的調(diào)制信號(hào)f0經(jīng)功率放大后，從傳輸線l0發(fā)出；f0移相90°的信號(hào)f1經(jīng)功率放大后從傳輸線l1發(fā)出，這兩路信號(hào)在編碼電纜附近空間產(chǎn)生電磁場(chǎng)合成，被靠近編碼電纜的接收天線感應(yīng)接收，由于f0與f1正交，避免了信道死區(qū)。傳統(tǒng)的接收天線中產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)如式（6）所描述，圖3所示的接收天線，在接收線圈1與接收線圈2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e(1)，e(2)。由于同間距交叉的特性，接收天線在任何位置都有：

(1)d0(1)＝d0(2)，d1(1)＝d1(2)，根據(jù)式（6），e(1)，e(2)的幅度相等；

(2)若傳輸線li（i＝0，1）的k區(qū)域產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)接收線圈1起主導(dǎo)作用，則k＋1區(qū)域產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)接收線圈2起主導(dǎo)作用，由于傳輸線交叉，k＋1區(qū)域產(chǎn)生的電磁場(chǎng)與k區(qū)域產(chǎn)生的電磁場(chǎng)相位相反，接收線圈2與接收線圈1恩交叉，經(jīng)過(guò)兩次反相，e（1），e（2）的相位相同。

因此，接收天線對(duì)通信信號(hào)提取的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e＝e(1)+e(2)＝2e(1)，是傳統(tǒng)的接收天線的2倍。

另外，發(fā)送線圈在發(fā)送信號(hào)時(shí)，發(fā)送線圈兩端的電壓均為200vp－p，為了防止接受線圈感應(yīng)到發(fā)送的強(qiáng)信號(hào)損壞接收前置放大電路，發(fā)送線圈放置在接收天線兩線圈中間，這樣，接收天線感應(yīng)到發(fā)送天線信號(hào)的電動(dòng)勢(shì)約等于零。

3.4 接收天線干擾抑制實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)條件為：傳輸線總長(zhǎng)為3m，w＝20mm。用一組實(shí)際感應(yīng)無(wú)線數(shù)據(jù)通信設(shè)備，通信速率為4800b/s，調(diào)制方式為fsk，載波頻率為49khz，正常工作時(shí)，在l0中通過(guò)的調(diào)制信號(hào)電流峰值為0.07a；發(fā)送天線線圈中通過(guò)的調(diào)制信號(hào)電流峰值為0.38a。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，保持發(fā)送線圈與編碼電纜之間距離z＝200mm，保持發(fā)送線圈中心對(duì)準(zhǔn)l0一個(gè)交叉不動(dòng)。在這種情況下，測(cè)得傳輸線l1上感應(yīng)信號(hào)電壓幅度vl1＝25mvp－p接收天線上感應(yīng)信號(hào)電壓幅度va＝20mvp－p。

若采用信號(hào)發(fā)生器作為干擾源，采用一對(duì)平行導(dǎo)線耦合進(jìn)行干擾，見(jiàn)圖5。信號(hào)發(fā)生器輸出干擾電壓v＝vmsin2πft，f＝49khz，r＝130ω。

圖5（a）所示實(shí)驗(yàn)，相當(dāng)于傳統(tǒng)接收天線受干擾，圖5（b）所示實(shí)驗(yàn)，是接收天線交叉線圈受干擾的情況，設(shè)接收天線中提取的干擾感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為vnm（峰－峰值）。表1給出兩種實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其抑制干擾噪聲的作用達(dá)到48db之多。

以上從理論和實(shí)驗(yàn)分析表明，采用同間距交叉的接收天線，不但具有較強(qiáng)的抑制干擾噪聲的作用，而且相對(duì)傳統(tǒng)接收天線，通信信號(hào)也有6db的增益，大大提高了信噪比。

4 結(jié)語(yǔ)

“雙傳輸線與單接收天線同間距交叉”的干擾抑制技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在感應(yīng)無(wú)線技術(shù)構(gòu)成的移動(dòng)機(jī)車計(jì)算機(jī)集中控制管理系統(tǒng)，并在萊蕪鋼鐵公司焦化廠等多個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用，實(shí)際應(yīng)用中確實(shí)能夠抑制工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾，特別是能夠有效地抑制變頻調(diào)速裝置產(chǎn)生的同頻干擾，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。當(dāng)然，本文提出的感應(yīng)無(wú)線數(shù)據(jù)通信干擾抑制技術(shù)，只是在接收端對(duì)干擾噪聲抑制，在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作的電子設(shè)備，還必須采取諸如接地、屏蔽等措施，不在本文討論的范圍。