感应无线数据通信中同频干扰抑制

1 引言

　　工业自动化中，对于移动机车和中央控制室之间的数据通信，有线通信方式由于拖带通信电缆使用不方便；无线通信方式由于工业现场环境恶劣造成误码率高。感应无线数据通信（Data Transmission by Induction Radio）[1]，利用编码电缆（又称诱导母线）与感应天线之间的电磁感应交换信息，因为有且仅有5－20cm的无线通信距离，所以既能保证机车移动的灵活性又确保了通信质量的可靠性，并且能在通信过程中同步检测移动机车的位置[2]。

　　工业现场电气设备，尤其是移动机车上的变频调速装置，能产生强烈的且与感应无线数据通信载波频率相同或相近的谐波，这种同频干扰噪声，无法用带通滤波器衰减，如果不在输入端采取有效措施进行抑制，就会使得感应无线数据通信的误码率大大提高，甚至不能正常工作。宝钢一期焦炉三电改造应用的是日本进口设备，实际工作中，“存在诱导母线通信经常中断现象，分析原因为随机强干扰和天线检测失真[3]”。因此，使得感应无线技术在一些实际应用中放弃了感应无线数据通信而仅采用感应无线位置检测技术。

　　为了在感应无线数据通信中抑制干扰，同行专家学者做了许多有益的研究。文献[4]提出感应无线差分式接收天线装置；文献[5]提出双接收天线单传输线的方法。本文给出的“双传输线与单接收天线同间距交叉”的感应无线数据通信同频干扰抑制技术[6]，能有效抑制同频干扰噪声，提高信噪比，并且适合于地面位置检测。

　　2 感应无线数据通信基本原理

　　为了分析在感应无线数据通信中同频干扰抑制技术提高信噪比的原理，先对感应无线数据通信的基本原理作简要分析介绍。

　　2.1 编码电缆与感应天线

　　编码电缆的外形为扁平状态，内部有若干对传输线，按照一定的编码规规则在不同的位置交叉。编码电缆沿着移动机车轨道安装，始端连接到中控室。

　　感应天线包含两组线圈，一组作为发送天线，一组作为接收天线，封装在塑料箱内，俗称为天线箱。天线箱安装在移动机车上，与机车上的控制柜连接。天线箱随着机车一起移动，并始终与编码电缆保持5－20cm的距离。见图1。

　　当天线箱与编码电缆靠近时，编码电缆中每一对传输线与天线箱中的线圈相互感应，于是天线箱与编码电缆之间形成了一个短距离的无线通信信道。

　　2.2 感应信号的幅度与相位分析

　　图2是传输线L与天线线圈平铺示意图，图2中天线宽度与编码电缆中通信传输线两交叉间距相等都为W，W＝2r。

　　定义：以天线线圈中心点为天线线圈位置；传输线L两交叉间的区域称为传输线L的K区域（K＝Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，…），天线线圈位置x偏离x所在K区域中心线距离为d。

　　以天线线圈作为发送线圈，对通信传输线产生的感应电动势e进行分析。根据电磁感应理论，当天线线圈中通过电流i＝Imsinωt时，传输线产生的感应电动势e＝di/dt，此处，互感系数M是天线线圈位置（x，y，z）的函数，假定天线线圈沿x方向移动时y，z不变，则：

　　e＝f（x）ωImcosωt

　　由于有一个交叉，传输线I区域产生的感应电动势eI与Ⅱ区域产生的感应电动势eⅡ相位相反。若以eI的相位作为标准，令:,则当n为偶数时，传输线产生的感应电动势e与eI相位相同；n为奇数时，e与eI相位相反，则相位系数为（－1）n。

　　当发送线圈与编码电缆之间距离z较小时，近似任务发送线圈产生的磁力线沿x方向均匀分布且垂直穿过传输线，因此，传输线产生的感应电动势e的幅度A与传输线有感应面积成正比，比图2所示，天线线圈1位置d＝0，有效感应面积S＝W×B为最大，A＝Amax。天线线圈3位置d＝r，有效感应面积S＝0，A＝0。天线线圈2位置，有效感应面积S＝（W－2d）×B。得到：

?

　　反过来，若在通信传输线中通过电流，以天线线圈作为接收线圈，根据互感原理，式（1）－（3）仍然成立。

　　3 干扰噪声抑制技术

　　为了抑制干扰，特别是抑制同频干扰噪声，最为有效的办法是在接收端不让干扰噪声侵入。因此，设计思想是：对中控室的接收端——编码电缆通信传输线和车上接收端——接收天线采取合理设计，衰减干扰噪声，而尽量少衰减、不衰减、甚至增强通信信号，达到提高信噪比的目的。

　　3.1 双传输线与单接收天线同间距交叉设计

　　“双传输线与单接收天线同间距交叉”的设计，在编码电缆中安排两对交叉的通信传输线L0，L1；采用一个发送天线，一个接收天线，接收天线由导线按交叉方式多匝绕制，故可以看成有接收线圈1和接收线圈2。传输线交叉间距、接收天线交叉间距、发送线圈宽度均为W。如图3所示。

?

　　图3（a）是实际结构及工作示意图。图3（b）是为了分析方便，所做的传输线L0，L1，发送天线、接收天线平铺示意图，实际应用中取W＝20cm。

　　3.2 传输线接收干扰抑制分析

　　当机车上在发送天线中加入信号电流时，中控室从通信传输线上接收信号，为了抑制干扰噪声，将通信传输线L0每隔一定的距离W交叉一次，从远距离看这是一对双绞线，其抑制干扰噪声的作用可达几个dB至30dB，平均为15dB之多[7]。

　　对于通信信号，根据式（3），通信传输线L0上感应信号幅度AL0是天线位置x的函数，当发送线圈中心对准L0上任何一个交叉点时，AL0＝0，出现信道死区。为了避免这种情况，在编码电缆中安排另外一对通信传输线L1，其交叉点与L0错开，见图3。令d0，d1分别表示发送线圈位置x偏移x所在L0传输线、L1传输线的区域中心线的距离，则有r＝d0＋d1。令eL0代表传输线L0感应的信号，eL1代表传输线L1感应的信号，在中控室电子设备中，将eL1移相90°后的信号e'L1和eL0求和，得到合成信号e。根据式（2）得：

?

　　合成信号e的幅度A对d0求导，求得当d0＝d1＝r/2时有最小值，此时，发送天线处于最不利的位置。e的矢量图见图4。

　　

　　以上分析表明，采用图3所示交叉的双传输线接收，具有较强的抑制干扰噪声的作用。对于通信信号，当发送天线处于最不利位置时，有3dB的衰减。

　　3.3 接收天线接收时干扰抑制分析

　　对于干扰噪声，传统的接收天线是没有交叉的单线圈，没有抗干扰能力，图3所示的接收天线由于接收线圈1与接收线圈2交叉，在现场工作时，两个线圈所感应的干扰噪声电动势eN1，eN2，相位相反。若在接收天线沿x方向的2W小范围内，噪声电磁波均匀分布，那么，eN1＝－eN2，接收天线提取的噪声电动势eN＝eN1＋eN2＝0。

　　对于通信信号，中控室要发送的调制信号f0经功率放大后，从传输线L0发出；f0移相90°的信号f1经功率放大后从传输线L1发出，这两路信号在编码电缆附近空间产生电磁场合成，被靠近编码电缆的接收天线感应接收，由于f0与f1正交，避免了信道死区。传统的接收天线中产生的感应信号如式（6）所描述，图3所示的接收天线，在接收线圈1与接收线圈2产生感应电动势e(1)，e(2)。由于同间距交叉的特性，接收天线在任何位置都有：

　　?(1)d0(1)＝d0(2)，d1(1)＝d1(2)，根据式（6），e(1)，e(2)的幅度相等；

　　(2)若传输线Li（i＝0，1）的K区域产生的电磁场对接收线圈1起主导作用，则K＋1区域产生的电磁场对接收线圈2起主导作用，由于传输线交叉，K＋1区域产生的电磁场与K区域产生的电磁场相位相反，接收线圈2与接收线圈1恩交叉，经过两次反相，e（1），e（2）的相位相同。

　　因此，接收天线对通信信号提取的感应电动势e＝e(1)+e(2)＝2e(1)，是传统的接收天线的2倍。

　　另外，发送线圈在发送信号时，发送线圈两端的电压均为200Vp－p，为了防止接受线圈感应到发送的强信号损坏接收前置放大电路，发送线圈放置在接收天线两线圈中间，这样，接收天线感应到发送天线信号的电动势约等于零。

　　3.4 接收天线干扰抑制实验分析

　　实验条件为：传输线总长为3m，W＝20mm。用一组实际感应无线数据通信设备，通信速率为4800b/s，调制方式为FSK，载波频率为49KHz，正常工作时，在L0中通过的调制信号电流峰值为0.07A；发送天线线圈中通过的调制信号电流峰值为0.38A。

　　实验时，保持发送线圈与编码电缆之间距离z＝200mm，保持发送线圈中心对准L0一个交叉不动。在这种情况下，测得传输线L1上感应信号电压幅度VL1＝25mVP－P接收天线上感应信号电压幅度VA＝20mVP－P。

　　若采用信号发生器作为干扰源，采用一对平行导线耦合进行干扰，见图5。信号发生器输出干扰电压v＝Vmsin2πft，f＝49KHz，R＝130Ω。

　　　　　　

　　图5（a）所示实验，相当于传统接收天线受干扰，图5（b）所示实验，是接收天线交叉线圈受干扰的情况，设接收天线中提取的干扰感应电动势为VNm（峰－峰值）。表1给出两种实验的数据。

　　实验结果表明，其抑制干扰噪声的作用达到48dB之多。

　　以上从理论和实验分析表明，采用同间距交叉的接收天线，不但具有较强的抑制干扰噪声的作用，而且相对传统接收天线，通信信号也有6dB的增益，大大提高了信噪比。

?

　　 4 结语

　　“双传输线与单接收天线同间距交叉”的干扰抑制技术已经应用在感应无线技术构成的移动机车计算机集中控制管理系统，并在莱芜钢铁公司焦化厂等多个工业现场实际使用，实际应用中确实能够抑制工业现场干扰，特别是能够有效地抑制变频调速装置产生的同频干扰，保证了数据通信的可靠性。当然，本文提出的感应无线数据通信干扰抑制技术，只是在接收端对干扰噪声抑制，在环境恶劣的工业现场工作的电子设备，还必须采取诸如接地、屏蔽等措施，不在本文讨论的范围。