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），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。  

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”。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。文献提出感应无线差分式接收天线装置；文献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，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。