感應無線數(shù)據(jù)通信中同頻干擾抑制

1 引言

工業(yè)自動化中，對于移動機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；無線通信方式由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣造成誤碼率高。感應無線數(shù)據(jù)通信（data transmission by induction radio）[1]，利用編碼電纜（又稱誘導母線）與感應天線之間的電磁感應交換信息，因為有且僅有5－20cm的無線通信距離，所以既能保證機車移動的靈活性又確保了通信質(zhì)量的可靠性，并且能在通信過程中同步檢測移動機車的位置[2]。

工業(yè)現(xiàn)場電氣設備，尤其是移動機車上的變頻調(diào)速裝置，能產(chǎn)生強烈的且與感應無線數(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，無法用帶通濾波器衰減，如果不在輸入端采取有效措施進行抑制，就會使得感應無線數(shù)據(jù)通信的誤碼率大大提高，甚至不能正常工作。寶鋼一期焦爐三電改造應用的是日本進口設備，實際工作中，“存在誘導母線通信經(jīng)常中斷現(xiàn)象，分析原因為隨機強干擾和天線檢測失真[3]”。因此，使得感應無線技術(shù)在一些實際應用中放棄了感應無線數(shù)據(jù)通信而僅采用感應無線位置檢測技術(shù)。

為了在感應無線數(shù)據(jù)通信中抑制干擾，同行專家學者做了許多有益的研究。文獻[4]提出感應無線差分式接收天線裝置；文獻[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”的感應無線數(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。

2 感應無線數(shù)據(jù)通信基本原理

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

2.1 編碼電纜與感應天線

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

感應天線包含兩組線圈，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。天線箱安裝在移動機車上，與機車上的控制柜連接。天線箱隨著機車一起移動，并始終與編碼電纜保持5－20cm的距離。見圖1。

當天線箱與編碼電纜靠近時，編碼電纜中每一對傳輸線與天線箱中的線圈相互感應，于是天線箱與編碼電纜之間形成了一個短距離的無線通信信道。

2.2 感應信號的幅度與相位分析

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，對通信傳輸線產(chǎn)生的感應電動勢e進行分析。根據(jù)電磁感應理論，當天線線圈中通過電流i＝imsinωt時，傳輸線產(chǎn)生的感應電動勢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方向移動時y，z不變，則：

由于有一個交叉，傳輸線i區(qū)域產(chǎn)生的感應電動勢ei與ⅱ區(qū)域產(chǎn)生的感應電動勢eⅱ相位相反。若以ei的相位作為標準，令:,則當n為偶數(shù)時，傳輸線產(chǎn)生的感應電動勢e與ei相位相同；n為奇數(shù)時，e與ei相位相反，則相位系數(shù)為（－1）n。

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

反過來，若在通信傳輸線中通過電流，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，設計思想是：對中控室的接收端——編碼電纜通信傳輸線和車上接收端——接收天線采取合理設計，衰減干擾噪聲，而盡量少衰減、不衰減、甚至增強通信信號，達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計

“雙傳輸線與單接收天線同間距交叉”的設計，在編碼電纜中安排兩對交叉的通信傳輸線l0，l1；采用一個發(fā)送天線，一個接收天線，接收天線由導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，實際應用中取w＝20cm。

3.2 傳輸線接收干擾抑制分析

當機車上在發(fā)送天線中加入信號電流時，中控室從通信傳輸線上接收信號，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，從遠距離看這是一對雙絞線，其抑制干擾噪聲的作用可達幾個db至30db，平均為15db之多[7]。

對于通信信號，根據(jù)式（3），通信傳輸線l0上感應信號幅度al0是天線位置x的函數(shù)，當發(fā)送線圈中心對準l0上任何一個交叉點時，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通信傳輸線l1，其交叉點與l0錯開，見圖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感應的信號，el1代表傳輸線l1感應的信號，在中控室電子設備中，將el1移相90°后的信號el1和el0求和，得到合成信號e。根據(jù)式（2）得：

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

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

3.3 接收天線接收時干擾抑制分析

對于干擾噪聲，傳統(tǒng)的接收天線是沒有交叉的單線圈，沒有抗干擾能力，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)場工作時，兩個線圈所感應的干擾噪聲電動勢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勢en＝en1＋en2＝0。

對于通信信號，中控室要發(fā)送的調(diào)制信號f0經(jīng)功率放大后，從傳輸線l0發(fā)出；f0移相90°的信號f1經(jīng)功率放大后從傳輸線l1發(fā)出，這兩路信號在編碼電纜附近空間產(chǎn)生電磁場合成，被靠近編碼電纜的接收天線感應接收，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)生的感應信號如式（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)生感應電動勢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)生的電磁場對接收線圈1起主導作用，則k＋1區(qū)域產(chǎn)生的電磁場對接收線圈2起主導作用，由于傳輸線交叉，k＋1區(qū)域產(chǎn)生的電磁場與k區(qū)域產(chǎn)生的電磁場相位相反，接收線圈2與接收線圈1恩交叉，經(jīng)過兩次反相，e（1），e（2）的相位相同。

因此，接收天線對通信信號提取的感應電動勢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)送信號時，發(fā)送線圈兩端的電壓均為200vp－p，為了防止接受線圈感應到發(fā)送的強信號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，接收天線感應到發(fā)送天線信號的電動勢約等于零。

3.4 接收天線干擾抑制實驗分析

實驗條件為：傳輸線總長為3m，w＝20mm。用一組實際感應無線數(shù)據(jù)通信設備，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，在l0中通過的調(diào)制信號電流峰值為0.07a；發(fā)送天線線圈中通過的調(diào)制信號電流峰值為0.38a。

實驗時，保持發(fā)送線圈與編碼電纜之間距離z＝200mm，保持發(fā)送線圈中心對準l0一個交叉不動。在這種情況下，測得傳輸線l1上感應信號電壓幅度vl1＝25mvp－p接收天線上感應信號電壓幅度va＝20mvp－p。

若采用信號發(fā)生器作為干擾源，采用一對平行導線耦合進行干擾，見圖5。信號發(fā)生器輸出干擾電壓v＝vmsin2πft，f＝49khz，r＝130ω。

圖5（a）所示實驗，相當于傳統(tǒng)接收天線受干擾，圖5（b）所示實驗，是接收天線交叉線圈受干擾的情況，設接收天線中提取的干擾感應電動勢為vnm（峰－峰值）。表1給出兩種實驗的數(shù)據(jù)。

實驗結(jié)果表明，其抑制干擾噪聲的作用達到48db之多。

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

4 結(jié)語

“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)應用在感應無線技術(shù)構(gòu)成的移動機車計算機集中控制管理系統(tǒng)，并在萊蕪鋼鐵公司焦化廠等多個工業(yè)現(xiàn)場實際使用，實際應用中確實能夠抑制工業(yè)現(xiàn)場干擾，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。當然，本文提出的感應無線數(shù)據(jù)通信干擾抑制技術(shù)，只是在接收端對干擾噪聲抑制，在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場工作的電子設備，還必須采取諸如接地、屏蔽等措施，不在本文討論的范圍。