1 Introducción
En la automatización industrial, los métodos de comunicación por cable para la transmisión de datos entre vehículos móviles y salas de control central son inconvenientes debido a la necesidad de arrastrar cables de comunicación; Los métodos de comunicación inalámbrica, por otro lado, sufren altas tasas de error debido a las duras condiciones de los entornos industriales. La comunicación de datos inalámbrica basada en inducción-(transmisión de datos por radio de inducción) utiliza inducción electromagnética entre un cable codificado (también conocido como bus de inducción) y una antena de inducción para intercambiar información. Debido a que el alcance de la comunicación inalámbrica está estrictamente limitado a 5-20 cm, este método garantiza tanto la flexibilidad del movimiento de la locomotora como la confiabilidad de la calidad de la comunicación, al mismo tiempo que permite el seguimiento en tiempo real-de la posición de la locomotora en movimiento durante la comunicación.
Los equipos eléctricos en entornos industriales, en particular los dispositivos-de control de velocidad de frecuencia variable en locomotoras en movimiento, pueden generar fuertes armónicos que son idénticos o similares a la frecuencia portadora de la comunicación de datos inalámbrica inductiva. Esta interferencia de co-frecuencia no puede atenuarse mediante filtros de paso de banda. Si no se toman medidas efectivas en la entrada para suprimirlo, la tasa de error de la comunicación de datos inalámbrica inductiva aumentará significativamente, lo que podría hacer que el sistema quede inoperable. La modernización del sistema eléctrico del horno de coque de Fase I en Baosteel utilizó equipos importados de Japón. En la operación real, "se observaron interrupciones frecuentes en la comunicación de la barra colectora de inducción, y el análisis atribuyó la causa a fuertes interferencias aleatorias y distorsiones en la detección de la antena". En consecuencia, en algunas aplicaciones prácticas, se ha abandonado la tecnología inalámbrica inductiva para la comunicación de datos, adoptándose únicamente la tecnología de detección de posición inalámbrica inductiva.
Para suprimir las interferencias en la comunicación de datos inalámbrica inductiva, expertos y académicos en el campo han realizado extensas investigaciones. Un estudio propuso una configuración de antena receptora diferencial inalámbrica inductiva, mientras que otro sugirió un método que utiliza antenas receptoras duales con una sola línea de transmisión. La técnica de supresión de interferencias de co-canal de "líneas de transmisión duales cruzadas con una única antena receptora con igual espaciado" para la comunicación de datos inalámbrica inductiva presentada en este documento puede suprimir eficazmente el ruido de interferencia de co-canal, mejorar la relación señal-a-ruido y es adecuada para la detección de posición basada en el terreno-.
2 principios básicos de la comunicación de datos inalámbrica inductiva
Para analizar el principio mediante el cual la tecnología de supresión de interferencias de co-canal mejora la relación señal-a-ruido en la comunicación de datos inalámbrica inductiva, primero proporcionamos un breve análisis y una introducción a los principios básicos de la comunicación de datos inalámbrica inductiva.
2.1 Cable codificado y antena inductiva
El cable codificado tiene forma plana y contiene varios pares de líneas de transmisión que se cruzan en puntos específicos según un esquema de codificación definido. El cable codificado se instala a lo largo de las vías de la locomotora móvil, con un extremo conectado a la sala de control central.
La antena de inducción consta de dos juegos de bobinas-una que sirve como antena transmisora y la otra como antena receptora-encerradas en una caja de plástico, comúnmente conocida como caja de antena. La caja de antena se monta en la locomotora en movimiento y se conecta al armario de control de la locomotora. La caja de antena se mueve con la locomotora y mantiene en todo momento una distancia de 5 a 20 cm del cable codificado. Ver Figura 1.
Cuando la caja de la antena se coloca cerca del cable codificado, cada par de líneas de transmisión en el cable codificado induce una respuesta en las bobinas dentro de la caja de la antena, estableciendo así un canal de comunicación inalámbrica de corto-alcance entre la caja de la antena y el cable codificado.
2.2 Análisis de la Amplitud y Fase de la Señal Inducida
La Figura 2 muestra un diagrama esquemático de la línea de transmisión L colocada plana junto a la bobina de la antena. En la Figura 2, el ancho de la antena y el espacio entre las dos líneas de transmisión que se cruzan en el cable codificado son iguales a W, donde W=2r.
Definición: El punto central de la bobina de la antena se define como la posición de la bobina de la antena; la región entre dos intersecciones de la línea de transmisión L se denomina región K de la línea de transmisión L (K=I, II, III,...), y la distancia d representa la desviación de la posición x de la bobina de la antena desde la línea central de la región K correspondiente.
Utilizando la bobina de la antena como bobina transmisora, analizamos la fuerza electromotriz inducida e generada en la línea de transmisión de comunicaciones. Según la teoría de la inducción electromagnética, cuando una corriente i=Imsinωt fluye a través de la bobina de la antena, la fem inducida e en la línea de transmisión es e=di/dt. Aquí, el coeficiente de inductancia mutua M es función de la posición de la bobina de la antena (x, y, z). Suponiendo que y y z permanecen constantes a medida que la bobina de la antena se mueve a lo largo de la dirección x-, entonces:
mi=f(x)ωImcosωt
Debido a que hay una unión, la fem inducida eI generada en la región I de la línea de transmisión está desfasada con la fem inducida eII generada en la región II. Si tomamos como referencia la fase de eI, sea
Cuando n es par, la fem inducida e en la línea de transmisión está en fase con eI; cuando n es impar, e está desfasado con eI y el coeficiente de fase es (–1)n.
Cuando la distancia z entre la bobina transmisora y el cable codificado es pequeña, se puede aproximar que las líneas de flujo magnético generadas por la bobina transmisora están distribuidas uniformemente a lo largo de la dirección x-y pasan perpendicularmente a través de la línea de transmisión. Por lo tanto, la magnitud A de la fuerza electromotriz inducida e generada en la línea de transmisión es proporcional al área de inducción efectiva de la línea de transmisión. Como se muestra en la Figura 2, cuando la bobina de la antena está en la posición 1 (d=0), el área de inducción efectiva S=W × B está en su máximo, y A=Amax. En la posición d=r de la bobina de antena 3, el área de inducción efectiva S=0, y A=0. En la posición de la bobina de antena 2, el área de inducción efectiva S=(W – 2d) × B. Obtenemos:
Por el contrario, si pasa una corriente a través de la línea de transmisión de comunicaciones y la bobina de la antena se utiliza como bobina receptora, las ecuaciones (1) a (3) siguen siendo válidas según el principio de inductancia mutua.
3 técnicas de supresión de ruidos de interferencia
To suppress interference, particularly co-channel interference noise, the most effective approach is to prevent interference noise from entering the receiving end. Therefore, the design philosophy is as follows: by implementing a reasonable design for the receiving end in the control room-the encoded cable communication transmission line-and the receiving end on the vehicle-the receiving antenna-interference noise is attenuated while communication signals are attenuated as little as possible, not attenuated at all, or even amplified, thereby achieving the goal of improving the signal-to-noise ratio.
3.1 Diseño de dos líneas de transmisión que cruzan una única antena receptora a igual distancia
En el "diseño de dos líneas de transmisión que cruzan una sola antena receptora con la misma separación", dos pares de líneas de transmisión de comunicaciones cruzadas, L0 y L1, están dispuestos dentro del cable codificado. Se utiliza una única antena transmisora y una única antena receptora; la antena receptora está formada por conductores enrollados en un patrón cruzado en múltiples vueltas y, por lo tanto, se puede considerar que consta de la bobina receptora 1 y la bobina receptora 2. El espacio entre las líneas de transmisión cruzadas, el espacio entre las antenas receptoras cruzadas y el ancho de la bobina transmisora son todos W. Como se muestra en la Figura 3.
La Figura 3 (a) muestra la estructura real y un diagrama esquemático de la operación. La Figura 3(b) es un diagrama esquemático simplificado de las líneas de transmisión L0 y L1, la antena transmisora y la antena receptora, dispuestas en plano para facilitar el análisis; en aplicaciones reales, W=20 cm.
3.2 Análisis de la supresión de interferencias en líneas de transmisión
Cuando se aplica una corriente de señal a la antena transmisora de la locomotora, el centro de control recibe la señal a través de las líneas de transmisión de comunicación. Para suprimir el ruido de interferencia, la línea de transmisión L0 se cruza a intervalos regulares de W. Desde la distancia, parece un cable de par-trenzado, que proporciona una supresión del ruido de interferencia que oscila entre varios dB y 30 dB, con un promedio de hasta 15 dB.
Para señales de comunicación, según la Ecuación (3), la amplitud AL0 de la señal inducida en la línea de transmisión de comunicaciones L0 es función de la posición x de la antena. Cuando el centro de la bobina transmisora está alineado con cualquier punto de intersección en L0, AL0=0, se produce una zona muerta del canal. Para evitar esta situación, se dispone un par adicional de líneas de transmisión de comunicación, L1, dentro del cable de codificación, con sus puntos de intersección desplazados de los de L0, como se muestra en la Figura 3. Sean d0 y d1 las distancias en las que la posición x de la bobina transmisora está desplazada de las líneas centrales de las líneas de transmisión L0 y L1, respectivamente; entonces, r=d0 + d1. Sea eL0 la señal inducida por la línea de transmisión L0 y eL1 la señal inducida por la línea de transmisión L1. En el equipo electrónico de la sala de control, la señal e'L1-que está eL1 desplazada 90 grados, se suma con eL0 para obtener la señal compuesta e. Según la Ecuación (2), tenemos:
En este punto, la antena transmisora está en la peor posición posible. El diagrama vectorial de e se muestra en la Figura 4.
El análisis anterior indica que el receptor de línea-de transmisión- dual cruzada que se muestra en la Figura 3 es muy eficaz para suprimir el ruido de interferencia. Para las señales de comunicación, hay una atenuación de 3 dB cuando la antena transmisora está en la peor-posición del caso.
3.3 Análisis de la supresión de interferencias por la antena receptora
Para el ruido de interferencia, las antenas receptoras tradicionales constan de bobinas simples sin acoplamiento cruzado y carecen de resistencia a las interferencias. Sin embargo, la antena receptora que se muestra en la Figura 3 presenta bobinas receptoras 1 y 2 cruzadas. Durante el funcionamiento en campo, las fuerzas electromotrices del ruido de interferencia eN1 y eN2 inducidas en las dos bobinas están desfasadas. Si las ondas electromagnéticas de ruido se distribuyen uniformemente dentro de un área pequeña de 2 W a lo largo de la dirección x-de la antena receptora, entonces eN1=−eN2, y la fuerza electromotriz del ruido extraída por la antena receptora, eN, es eN1 + eN2=0.
Para señales de comunicación, la señal modulada f₀ a transmitir por la sala de control central se amplifica y transmite a través de la línea de transmisión L₀; la señal f₁ (que está desfasada 90 grados con f₀) se amplifica y se transmite a través de la línea de transmisión L₁. Estas dos señales generan un campo electromagnético combinado en el espacio cercano al cable de codificación, que es detectado y recibido por la antena receptora ubicada cerca del cable de codificación. Dado que f₀ y f₁ son ortogonales, se evitan las zonas muertas del canal. Las señales inducidas generadas en una antena receptora tradicional se describen en la Ecuación (6). Como se muestra en la Figura 3, la antena receptora genera fuerzas electromotrices inducidas e(1) y e(2) en las bobinas receptoras 1 y 2, respectivamente. Debido a las características del cruce equidistante, la antena receptora satisface lo siguiente en cualquier posición:
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); según la Ecuación (6), las magnitudes de e(1) y e(2) son iguales;
(2) Si el campo electromagnético generado en la región K de la línea de transmisión Li (i=0, 1) domina la bobina de recepción 1, entonces el campo electromagnético generado en la región K+1 domina la bobina de recepción 2. Debido al cruce de las líneas de transmisión, el campo electromagnético generado en la región K+1 está desfasado con el generado en la región K. Dado que la bobina de recepción 2 se cruza con la bobina de recepción 1, después de dos inversiones de fase, las fases de e(1) y e(2) se vuelve lo mismo.
Por lo tanto, la fuerza electromotriz inducida e=e(1) + e(2)=2e(1) extraída por la antena receptora de la señal de comunicación es el doble que la de una antena receptora convencional.
Además, cuando la bobina de transmisión envía una señal, el voltaje en ambos extremos de la bobina de transmisión es de 200 Vp-p. Para evitar que la fuerte señal transmitida dañe el circuito preamplificador del receptor, la bobina de transmisión se coloca entre las dos bobinas de la antena receptora. De esta manera, la fuerza electromotriz inducida en la antena receptora por la señal de la antena transmisora es aproximadamente cero.
3.4 Análisis experimental de la supresión de interferencias de la antena receptora
Las condiciones experimentales fueron las siguientes: la longitud total de la línea de transmisión fue de 3 m y W=20 mm. Se utilizó un conjunto de equipos de comunicación de datos inalámbricos inductivos reales, con una velocidad de comunicación de 4800 b/s, modulación FSK y una frecuencia portadora de 49 kHz. Durante el funcionamiento normal, la corriente máxima de la señal modulada que pasa por L0 fue de 0,07 A; la corriente máxima de la señal modulada que pasa a través de la bobina de la antena transmisora fue de 0,38 A.
Durante el experimento, la distancia z entre la bobina transmisora y el cable codificado se mantuvo en 200 mm, y el centro de la bobina transmisora se mantuvo alineado con un cruce de L0. En estas condiciones, se midió que la amplitud del voltaje de la señal inducida en la línea de transmisión L1 era VL1=25 mVp-p, y la amplitud del voltaje de la señal inducida en la antena receptora se midió como VA=20 mVp-p.
Si se utiliza un generador de señal como fuente de interferencia y se utiliza un par de cables paralelos para acoplarse para inducir interferencia, consulte la Figura 5. El generador de señal genera un voltaje de interferencia v=Vm sin(2πft), donde f=49 kHz y R=130 Ω.
El experimento que se muestra en la Figura 5(a) corresponde a la interferencia en una antena receptora convencional, mientras que el experimento que se muestra en la Figura 5(b) corresponde a la interferencia en las bobinas cruzadas de una antena receptora. Sea VNm (pico-a-pico) la fuerza electromotriz inducida por interferencia-extraída de la antena receptora. La Tabla 1 presenta los datos de ambos experimentos.
Los resultados experimentales muestran que el sistema logra una supresión de ruidos parásitos de hasta 48 dB. Los análisis teóricos y experimentales presentados anteriormente demuestran que el uso de antenas receptoras cruzadas equidistantes no solo proporciona una fuerte supresión del ruido de interferencia, sino que también ofrece una ganancia de 6 dB en las señales de comunicación en comparación con las antenas receptoras tradicionales, mejorando así significativamente la relación señal-a-ruido.
4 Conclusión
La técnica de supresión de interferencias que implica "cruzar líneas de transmisión duales con una única antena receptora a distancias iguales" se ha aplicado en un sistema de gestión de control centralizado-basado en computadora para locomotoras móviles que utiliza tecnología inalámbrica inductiva. En aplicaciones prácticas, esta técnica ha demostrado ser eficaz para suprimir la interferencia en entornos industriales, particularmente para suprimir eficazmente la interferencia co-canal generada por dispositivos de control de velocidad de frecuencia-variable, garantizando así la fiabilidad de la comunicación de datos. Por supuesto, la tecnología de supresión de interferencias para la comunicación de datos inalámbrica inductiva propuesta en este artículo solo aborda la supresión de ruido en el extremo receptor. Para equipos electrónicos que funcionan en entornos industriales hostiles, se deben implementar medidas adicionales como conexión a tierra y blindaje; estos están más allá del alcance de este documento.