فناوری مهار تداخل کانالی مناسب برای تشخیص موقعیت مبتنی بر زمین-

1 مقدمه

در اتوماسیون صنعتی، روش‌های ارتباطی سیمی برای انتقال داده بین وسایل نقلیه سیار و اتاق‌های کنترل مرکزی به دلیل نیاز به کشیدن کابل‌های ارتباطی ناخوشایند هستند. از سوی دیگر روش های ارتباطی بی سیم به دلیل شرایط سخت محیط های صنعتی از ضریب خطای بالایی رنج می برند. ارتباطات داده های بی سیم مبتنی بر القایی{1} (انتقال داده توسط رادیو القایی) از القای الکترومغناطیسی بین کابل کدگذاری شده (که به عنوان گذرگاه القایی نیز شناخته می شود) و آنتن القایی برای تبادل اطلاعات استفاده می کند. از آنجایی که محدوده ارتباط بی‌سیم به شدت به 5 تا 20 سانتی‌متر محدود است، این روش هم انعطاف‌پذیری حرکت لوکوموتیو و هم قابلیت اطمینان کیفیت ارتباط را تضمین می‌کند و در عین حال امکان ردیابی موقعیت لوکوموتیو متحرک را در زمان واقعی-در حین برقراری ارتباط فراهم می‌کند.

تجهیزات الکتریکی در تنظیمات صنعتی، به‌ویژه دستگاه‌های کنترل سرعت فرکانس متغیر{{0} در لوکوموتیوهای متحرک، می‌توانند هارمونیک‌های قوی ایجاد کنند که مشابه یا مشابه فرکانس حامل ارتباطات داده بی‌سیم القایی است. این تداخل فرکانس هم- توسط فیلترهای باند گذر قابل کاهش نیست. اگر اقدامات موثری در ورودی برای سرکوب آن انجام نشود، میزان خطای ارتباط داده بی سیم القایی به طور قابل توجهی افزایش می یابد و به طور بالقوه سیستم را غیر قابل اجرا می کند. بهسازی سیستم الکتریکی کوره کک فاز I در Baosteel از تجهیزات وارد شده از ژاپن استفاده می کند. در عملیات واقعی، "وقفه های مکرر در ارتباط باسبار القایی مشاهده شد، با تجزیه و تحلیل علت را به تداخل شدید تصادفی و اعوجاج تشخیص آنتن نسبت داد." در نتیجه، در برخی از کاربردهای عملی، فناوری بی‌سیم القایی برای ارتباطات داده کنار گذاشته شده است و تنها فناوری تشخیص موقعیت بی‌سیم القایی مورد استفاده قرار گرفته است.

برای سرکوب تداخل در ارتباطات داده های بی سیم القایی، کارشناسان و محققان در این زمینه تحقیقات گسترده ای انجام داده اند. یک مطالعه پیکربندی آنتن دریافت دیفرانسیل بی سیم القایی را پیشنهاد کرد، در حالی که مطالعه دیگری روشی را با استفاده از آنتن های دریافت دوگانه با یک خط انتقال پیشنهاد کرد. "خطوط انتقال دوگانه متقاطع با یک آنتن گیرنده منفرد در فواصل مساوی"-تکنیک سرکوب تداخل هم کانالی برای ارتباطات داده های بی سیم القایی ارائه شده در این مقاله می تواند به طور موثر نویز تداخل کانال را سرکوب کند، نسبت سیگنال به-به{5}}نسبت سیگنال را بهبود بخشد، و برای تشخیص مبتنی بر زمین مناسب است.

2 اصل اساسی ارتباطات القایی بی سیم داده

برای تجزیه و تحلیل این اصل که توسط آن{0}فناوری سرکوب تداخل کانال مشترک، نسبت سیگنال-به نویز را در ارتباطات داده‌های بی‌سیم القایی بهبود می‌بخشد، ابتدا تجزیه و تحلیل مختصری و مقدمه‌ای بر اصول اولیه ارتباطات داده بی‌سیم القایی ارائه می‌کنیم.

2.1 کابل رمزگذاری شده و آنتن القایی

کابل کدگذاری شده به شکل مسطح است و شامل چندین جفت خط انتقال است که طبق یک طرح کدگذاری تعریف شده در نقاط خاصی از هم عبور می کنند. کابل کدگذاری شده در امتداد مسیرهای لوکوموتیو متحرک نصب می شود که یک سر آن به اتاق کنترل مرکزی متصل است.

آنتن القایی از دو مجموعه سیم پیچ تشکیل شده است-یکی به عنوان آنتن فرستنده و دیگری به عنوان آنتن گیرنده-در یک جعبه پلاستیکی محصور شده است که معمولاً به آن جعبه آنتن می گویند. جعبه آنتن بر روی لوکوموتیو متحرک نصب شده و به کابین کنترل لوکوموتیو متصل می شود. جعبه آنتن با لوکوموتیو حرکت می کند و همیشه فاصله 5 تا 20 سانتی متری را از کابل رمزگذاری شده حفظ می کند. شکل 1 را ببینید.

هنگامی که جعبه آنتن نزدیک کابل کدگذاری شده قرار می گیرد، هر جفت خط انتقال در کابل کدگذاری شده، پاسخی را در سیم پیچ های درون جعبه آنتن القا می کند، بنابراین یک کانال ارتباطی بی سیم با برد کوتاه بین جعبه آنتن و کابل کدگذاری شده برقرار می شود.

2.2 تجزیه و تحلیل دامنه و فاز سیگنال القایی

شکل 2 یک نمودار شماتیک از خط انتقال L را نشان می دهد که در کنار سیم پیچ آنتن قرار گرفته است. در شکل 2، عرض آنتن و فاصله بین دو خط انتقال متقاطع در کابل کدگذاری شده هر دو برابر با W است، جایی که W=2r.

تعریف: نقطه مرکزی سیم پیچ آنتن به عنوان موقعیت سیم پیچ آنتن تعریف می شود. منطقه بین دو تقاطع خط انتقال L به عنوان منطقه K خط انتقال L (K=I, II, III, …) نامیده می شود و فاصله d نشان دهنده انحراف موقعیت سیم پیچ آنتن x از خط مرکزی منطقه مربوطه K است.
با استفاده از سیم پیچ آنتن به عنوان سیم پیچ فرستنده، نیروی الکتریکی القایی ایجاد شده در خط انتقال ارتباطی را تجزیه و تحلیل می کنیم. بر اساس تئوری القای الکترومغناطیسی، هنگامی که یک جریان i=Imsinωt از سیم پیچ آنتن می گذرد، emf e القایی در خط انتقال e=di/dt است. در اینجا، ضریب القایی متقابل M تابعی از موقعیت سیم پیچ آنتن است (x، y، z). با فرض اینکه y و z با حرکت سیم پیچ آنتن در جهت x ثابت می مانند، سپس:

e=f(x)ωImcosωt

از آنجا که یک اتصال وجود دارد، emf eI القایی تولید شده در منطقه I خط انتقال با emf eII القایی تولید شده در منطقه II خارج از فاز است. اگر فاز eI را به عنوان مرجع در نظر بگیریم، اجازه دهید

وقتی n زوج باشد، emf e القایی در خط انتقال در فاز با eI است. وقتی n فرد باشد، e خارج از فاز eI است و ضریب فاز (1-) n است.

هنگامی که فاصله z بین سیم پیچ فرستنده و کابل کدگذاری شده کوچک است، خطوط شار مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ فرستنده را می توان به صورت یکنواخت در امتداد جهت x توزیع کرد و به صورت عمود از خط انتقال عبور کرد. بنابراین، بزرگی A نیروی الکتروموتور القایی e تولید شده در خط انتقال، متناسب با ناحیه القایی موثر خط انتقال است. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، هنگامی که سیم پیچ آنتن در موقعیت 1 قرار دارد (d=0)، ناحیه القایی موثر S=W × B در حداکثر آن است و A=Amax. در موقعیت d=r سیم پیچ آنتن 3، ناحیه القایی موثر S=0، و A=0. در موقعیت سیم پیچ آنتن 2، ناحیه القایی مؤثر S=(W – 2d) × B. بدست می آوریم:

برعکس، اگر جریانی از خط انتقال ارتباط عبور کند و سیم پیچ آنتن به عنوان سیم پیچ دریافت کننده استفاده شود، معادلات (1) تا (3) همچنان بر اساس اصل اندوکتانس متقابل صادق هستند.

3 تکنیک های سرکوب صدای تداخل

برای سرکوب تداخل، به‌ویژه نویز تداخل کانال، مؤثرترین روش جلوگیری از ورود نویز تداخل به انتهای گیرنده است. بنابراین، فلسفه طراحی به شرح زیر است: با اجرای یک طراحی معقول برای انتهای گیرنده در اتاق کنترل-خط انتقال ارتباطی کابلی رمزگذاری شده-و انتهای گیرنده در خودرو{4}}آنتن گیرنده{5}}صدای تداخل کاهش می‌یابد در حالی که سیگنال‌های ارتباطی تا حد ممکن تضعیف می‌شوند، یا حتی تا حد ممکن تضعیف نمی‌شوند. هدف از بهبود نسبت سیگنال به-نویز است.

3.1 طراحی دو خط انتقال که از یک آنتن گیرنده در فاصله مساوی عبور می کنند

در "طراحی دو خط انتقال که از یک آنتن گیرنده منفرد در فواصل مساوی عبور می کنند"، دو جفت خط انتقال ارتباطی متقاطع L0 و L1 در داخل کابل کدگذاری شده مرتب شده اند. از یک آنتن فرستنده و یک آنتن گیرنده استفاده می شود. آنتن گیرنده توسط هادی های سیم پیچ در یک الگوی متقاطع بر روی پیچ های متعدد تشکیل می شود و بنابراین می توان آن را متشکل از سیم پیچ دریافت کننده 1 و سیم پیچ دریافت کننده 2 در نظر گرفت.

شکل 3(a) ساختار واقعی و نمودار شماتیک عملیات را نشان می دهد. شکل 3(b) یک نمودار شماتیک ساده شده از خطوط انتقال L0 و L1، آنتن فرستنده و آنتن گیرنده است که برای سهولت آنالیز به صورت مسطح قرار گرفته اند. در برنامه های واقعی، W=20 سانتی متر.

3.2 تجزیه و تحلیل سرکوب تداخل خط انتقال

هنگامی که یک جریان سیگنال به آنتن فرستنده در لوکوموتیو اعمال می شود، مرکز کنترل سیگنال را از طریق خطوط انتقال ارتباطی دریافت می کند. برای سرکوب نویز تداخل، خط انتقال L0 در فواصل منظم W عبور می کند. از فاصله دور، به صورت یک کابل جفت پیچ خورده ظاهر می شود، که سرکوب نویز تداخلی از چند دسی بل تا 30 دسی بل، با میانگین 15 دسی بل را فراهم می کند.

برای سیگنال های ارتباطی، طبق رابطه (3)، دامنه AL0 سیگنال القایی در خط انتقال ارتباطی L0 تابعی از موقعیت آنتن x است. هنگامی که مرکز سیم پیچ فرستنده با هر نقطه تقاطعی در L0، AL{5}} تراز شود و منجر به ایجاد یک منطقه مرده کانال شود. برای جلوگیری از این وضعیت، یک جفت خط انتقال ارتباطی اضافی، L1، در داخل کابل کدگذاری چیده شده است که نقاط تقاطع آنها از خطوط L0 منحرف شده است، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. سپس، r=d0 + d1. بگذارید eL0 نشان دهنده سیگنال القا شده توسط خط انتقال L0 باشد و eL1 نشان دهنده سیگنال القا شده توسط خط انتقال L1 باشد. در تجهیزات الکترونیکی اتاق کنترل، سیگنال e'L1-که eL1 90 درجه جابجا شده است با eL0 جمع می‌شود تا سیگنال ترکیبی e به دست آید. با توجه به رابطه (2) داریم:

در این مرحله آنتن فرستنده در بدترین وضعیت ممکن قرار دارد. نمودار برداری e در شکل 4 نشان داده شده است.

تجزیه و تحلیل بالا نشان می دهد که گیرنده خط انتقال دوگانه نشان داده شده در شکل 3 در سرکوب نویز تداخل بسیار موثر است. برای سیگنال های ارتباطی، زمانی که آنتن فرستنده در بدترین حالت قرار می گیرد، 3 دسی بل تضعیف می شود.

3.3 تجزیه و تحلیل سرکوب تداخل توسط آنتن گیرنده

برای نویز تداخل، آنتن‌های دریافت سنتی از سیم‌پیچ‌های منفرد بدون اتصال{0}}متقابل و فاقد مقاومت تداخلی تشکیل شده‌اند. با این حال، آنتن گیرنده نشان داده شده در شکل 3 دارای سیم پیچ های دریافت کننده 1 و 2 است که متقاطع هستند. در حین کار در میدان، نیروهای الکتروموتور نویز تداخلی eN1 و eN2 القا شده در دو سیم پیچ خارج از فاز هستند. اگر امواج الکترومغناطیسی نویز به طور یکنواخت در یک ناحیه کوچک 2W در امتداد جهت x آنتن گیرنده توزیع شوند، eN{11}} -eN2، و نیروی الکتروموتور نویز استخراج شده توسط آنتن گیرنده، eN، eN1 + eN{14} است.

برای سیگنال های ارتباطی، سیگنال مدوله شده f0 که باید توسط اتاق کنترل مرکزی ارسال شود، تقویت شده و از طریق خط انتقال L0 ارسال می شود. سیگنال f1 (که 90 درجه خارج از فاز با f0 است) تقویت شده و از طریق خط انتقال L1 منتقل می شود. این دو سیگنال یک میدان الکترومغناطیسی ترکیبی در فضای نزدیک کابل کد کننده ایجاد می کنند که توسط آنتن گیرنده واقع در نزدیکی کابل کدگذاری شناسایی و دریافت می شود. از آنجایی که f0 و f1 متعامد هستند، از مناطق مرده کانال اجتناب می شود. سیگنال های القایی تولید شده در یک آنتن گیرنده سنتی با معادله (6) توضیح داده شده است. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، آنتن گیرنده نیروهای الکتروموتور القایی e(1) و e(2) را به ترتیب در سیم پیچ های دریافت کننده 1 و 2 ایجاد می کند. با توجه به ویژگی های تقاطع مساوی، آنتن گیرنده موارد زیر را در هر موقعیتی برآورده می کند:

(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); طبق رابطه (6)، قدر e(1) و e(2) برابر است.

(2) اگر میدان الکترومغناطیسی ایجاد شده در منطقه K خط انتقال Li (i=0، 1) بر سیم پیچ دریافت 1 غالب باشد، آنگاه میدان الکترومغناطیسی ایجاد شده در منطقه K{4}} بر سیم پیچ دریافت 2 غالب است. به دلیل تلاقی خطوط انتقال، میدان الکترومغناطیسی تولید شده در ناحیه K در فاز مشترک با فاز K{6} مجدداً تولید می شود. عبور از سیم پیچ دریافت 1، پس از دو وارونگی فاز، فازهای e(1) و e(2) یکسان می شوند.

بنابراین، نیروی الکتروموتور القایی e=e(1) + e(2)=2e(1) استخراج شده توسط آنتن گیرنده از سیگنال ارتباطی دو برابر آنتن گیرنده معمولی است.

علاوه بر این، هنگامی که سیم پیچ فرستنده سیگنالی می فرستد، ولتاژ در دو سر سیم پیچ انتقال 200 Vp{1}}p است. برای جلوگیری از آسیب رساندن سیگنال ارسالی قوی به مدار پیش تقویت کننده گیرنده، سیم پیچ انتقال بین دو سیم پیچ آنتن گیرنده قرار می گیرد. به این ترتیب نیروی الکتروموتور القا شده در آنتن گیرنده توسط سیگنال آنتن فرستنده تقریباً صفر است.

3.4 تجزیه و تحلیل تجربی دریافت سرکوب تداخل آنتن

شرایط آزمایشی به شرح زیر بود: طول کل خط انتقال 3 متر و W=20 میلی متر بود. مجموعه ای از تجهیزات ارتباطی واقعی بی سیم القایی، با نرخ ارتباطی 4800 b/s، مدولاسیون FSK و فرکانس حامل 49 کیلوهرتز استفاده شد. در طول عملیات عادی، پیک جریان سیگنال مدوله شده که از L0 عبور می کند 0.07 A بود. اوج جریان سیگنال مدوله شده که از سیم پیچ آنتن فرستنده عبور می کند 0.38 A بود.

در طول آزمایش، فاصله z بین سیم پیچ فرستنده و کابل کدگذاری شده در 200 میلی متر حفظ شد و مرکز سیم پیچ فرستنده با یک تقاطع L0 در یک راستا نگه داشت. در این شرایط، دامنه ولتاژ سیگنال القایی در خط انتقال L1 VL1=25 mVp-p اندازه‌گیری شد و دامنه ولتاژ سیگنال القایی روی آنتن گیرنده VA=20 mVp-p اندازه‌گیری شد.
اگر از یک مولد سیگنال به عنوان منبع تداخل استفاده شود و یک جفت سیم موازی برای جفت شدن برای القای تداخل استفاده شود، به شکل 5 مراجعه کنید.

آزمایش نشان داده شده در شکل 5(a) مربوط به تداخل در یک آنتن گیرنده معمولی است، در حالی که آزمایش نشان داده شده در شکل 5(b) مربوط به تداخل در سیم پیچ های متقاطع یک آنتن گیرنده است. اجازه دهید VNm (پیک-تا-پیک) نشان دهنده نیروی الکتروموتور ناشی از تداخل-استخراج شده از آنتن گیرنده باشد. جدول 1 داده های هر دو آزمایش را نشان می دهد.

نتایج تجربی نشان می‌دهد که سیستم به سرکوب نویز تداخلی تا ۴۸ دسی‌بل دست می‌یابد. تحلیل‌های تئوری و تجربی ارائه‌شده در بالا نشان می‌دهند که استفاده از آنتن‌های دریافتی متقاطع با فاصله یکسان نه تنها سرکوب صدای تداخل قوی را فراهم می‌کند، بلکه افزایش ۶ دسی بل را در سیگنال‌های ارتباطی در مقایسه با آنتن‌های دریافت سنتی ارائه می‌کند و در نتیجه نسبت سیگنال به نویز را به طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد.

4 نتیجه گیری

تکنیک سرکوب تداخل شامل "تقاطع خطوط انتقال دوگانه با یک آنتن گیرنده در فواصل مساوی" در یک سیستم مدیریت کنترل متمرکز مبتنی بر رایانه برای لوکوموتیوهای سیار با استفاده از فناوری بی‌سیم القایی{0} استفاده شده است. در کاربردهای عملی، این تکنیک در سرکوب تداخل در محیط‌های صنعتی، به‌ویژه در سرکوب مؤثر تداخل کانالی که توسط دستگاه‌های کنترل سرعت متغیر{3}}فرکانس تولید می‌شود، مؤثر بوده و در نتیجه قابلیت اطمینان ارتباطات داده را تضمین می‌کند. البته، فناوری سرکوب تداخل برای ارتباطات داده بی‌سیم القایی پیشنهاد شده در این مقاله، تنها به سرکوب نویز در انتهای دریافت می‌پردازد. برای تجهیزات الکترونیکی که در محیط های صنعتی خشن کار می کنند، اقدامات اضافی مانند زمین و محافظ باید اجرا شود. اینها از حوصله این مقاله خارج است.