感应无线数据通信中同频干扰抑制

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。

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。