1 소개
산업 자동화에서 이동 차량과 중앙 제어실 간의 데이터 전송을 위한 유선 통신 방법은 통신 케이블을 끌어야 하므로 불편합니다. 반면, 무선 통신 방식은 열악한 산업 환경으로 인해 오류율이 높습니다. 유도- 기반 무선 데이터 통신(유도 무선에 의한 데이터 전송)은 코딩된 케이블(유도 버스라고도 함)과 유도 안테나 사이의 전자기 유도를 활용하여 정보를 교환합니다. 무선 통신 범위는 5~20cm로 엄격하게 제한되어 있기 때문에 이 방법은 기관차 이동의 유연성과 통신 품질의 신뢰성을 모두 보장하는 동시에 통신 중에 움직이는 기관차의 위치를 실시간으로 추적할 수 있습니다.-
산업 환경의 전기 장비, 특히 움직이는 기관차의 가변{0}}주파수 속도 제어 장치는 유도 무선 데이터 통신의 반송파 주파수와 동일하거나 유사한 강한 고조파를 생성할 수 있습니다. 이 동일-주파수 간섭은 대역통과 필터로 감쇠될 수 없습니다. 이를 억제하기 위해 입력에서 효과적인 조치를 취하지 않으면 유도 무선 데이터 통신의 오류율이 크게 증가하여 잠재적으로 시스템이 작동하지 않게 됩니다. Baosteel의 1단계 코크스 오븐 전기 시스템 개조는 일본에서 수입한 장비를 활용했습니다. 실제 작동에서는 "유도 버스바 통신이 자주 중단되는 현상이 관찰되었으며, 그 원인은 무작위로 강한 간섭과 안테나 감지 왜곡으로 인한 것으로 분석되었습니다." 결과적으로 일부 실제 응용 분야에서는 데이터 통신을 위해 유도 무선 기술을 포기하고 유도 무선 위치 감지 기술만 채택했습니다.
유도성 무선 데이터 통신에서 간섭을 억제하기 위해 해당 분야의 전문가와 학자들이 광범위한 연구를 수행해 왔습니다. 한 연구에서는 유도성 무선 차동 수신 안테나 구성을 제안했고, 다른 연구에서는 단일 전송 선로로 이중 수신 안테나를 사용하는 방법을 제안했습니다. 본 논문에서 제시하는 유도 무선 데이터 통신을 위한 "동일한 간격의 단일 수신 안테나를 사용하는 교차 이중 전송선" 공동-채널 간섭 억제 기술은 동일-채널 간섭 잡음을 효과적으로 억제하고 신호{4}}대-잡음 비율을 개선하며 지상-기반 위치 탐지에 적합합니다.
2 유도 무선 데이터 통신의 기본 원리
동일 채널 간섭 억제 기술이 유도 무선 데이터 통신에서 신호 대 잡음비를 향상시키는-원리를 분석하기 위해 먼저 유도 무선 데이터 통신의 기본 원리에 대한 간략한 분석과 소개를 제공합니다.
2.1 인코딩된 케이블 및 유도 안테나
인코딩된 케이블은 모양이 편평하며 정의된 코딩 방식에 따라 특정 지점을 교차하는 여러 쌍의 전송 라인을 포함합니다. 인코딩된 케이블은 이동 기관차의 선로를 따라 설치되며 한쪽 끝은 중앙 제어실에 연결됩니다.
유도 안테나는 두 개의 코일 세트로 구성됩니다.{0}}하나는 송신기 안테나 역할을 하고 다른 하나는 수신기 안테나 역할을 합니다.-일반적으로 안테나 상자라고 하는 플라스틱 상자에 들어있습니다. 안테나 박스는 움직이는 기관차에 장착되어 기관차의 제어 캐비닛에 연결됩니다. 안테나 박스는 기관차와 함께 움직이며 항상 코드 케이블과 5~20cm의 거리를 유지합니다. 그림 1을 참조하세요.
안테나 박스가 인코딩된 케이블 가까이 위치하면 인코딩된 케이블의 각 전송 라인 쌍이 안테나 박스 내의 코일에서 응답을 유도하여 안테나 박스와 인코딩된 케이블 사이에 단거리 무선 통신 채널이-구축됩니다.
2.2 유도신호의 진폭과 위상 분석
그림 2는 안테나 코일과 나란히 배치된 전송선 L의 개략도를 보여줍니다. 그림 2에서 안테나의 폭과 인코딩된 케이블에서 교차하는 두 전송선 사이의 간격은 모두 W와 같습니다. 여기서 W=2r입니다.
정의: 안테나 코일의 중심점은 안테나 코일 위치로 정의됩니다. 전송선 L의 두 교차점 사이의 영역을 전송선 L의 영역 K(K= I, II, III, …)라고 하며, 거리 d는 해당 영역 K의 중심선에서 안테나 코일 위치 x의 편차를 나타냅니다.
안테나 코일을 송신 코일로 사용하여 통신 전송선로에서 발생하는 유도 기전력 e를 분석합니다. 전자기 유도 이론에 따르면 전류 i=ImsinΩt가 안테나 코일을 통해 흐를 때 전송 선로에 유도된 EMF e는 e=di/dt입니다. 여기서 상호 인덕턴스 계수 M은 안테나 코일 위치(x, y, z)의 함수입니다. 안테나 코일이 x- 방향을 따라 이동할 때 y와 z가 일정하게 유지된다고 가정하면 다음과 같습니다.
e=f(x)ΩImcosΩt
접합이 있기 때문에 전송선의 영역 I에서 생성된 유도 EMF eI는 영역 II에서 생성된 유도 EMF eII와 위상이 다릅니다. eI의 위상을 기준으로 삼으면
n이 짝수일 때, 전송선에서 유도된 EMF는 eI와 위상이 같습니다. n이 홀수이면 e는 eI와 위상이 어긋나고 위상 계수는 (-1)n입니다.
전송 코일과 인코딩된 케이블 사이의 거리 z가 작을 때, 전송 코일에 의해 생성된 자속선은 x- 방향을 따라 균일하게 분포되고 전송 선로를 수직으로 통과하는 것으로 근사화될 수 있습니다. 따라서 전송선로에서 발생하는 유도기전력 e의 크기 A는 전송선로의 유효유도면적에 비례한다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 안테나 코일이 위치 1(d{5}})에 있을 때 유효 유도 면적 S=W × B는 최대이고 A=Amax입니다. 안테나 코일 3의 위치 d{9}} r에서 유효 유도 면적 S=0, A=0. 안테나 코일 2의 위치에서 유효 유도 면적 S=(W – 2d) × B를 얻습니다.
반대로 통신 전송선로에 전류를 흘려 안테나 코일을 수신 코일로 사용하는 경우에도 상호 인덕턴스의 원리에 따라 식 (1)~(3)이 성립한다.
3가지 간섭 잡음 억제 기법
간섭, 특히 동일-채널 간섭 잡음을 억제하기 위한 가장 효과적인 접근 방식은 간섭 잡음이 수신단에 유입되는 것을 방지하는 것입니다. 따라서 설계 철학은 다음과 같습니다. 제어실의 수신단-인코딩된 케이블 통신 전송선-과 차량의 수신단-수신 안테나-에 대한 합리적인 설계를 구현함으로써 통신 신호가 최대한 감쇠되거나 전혀 감쇠되지 않거나 증폭되는 동안 간섭 잡음이 감쇠되어 신호{6}}대-노이즈 비율을 향상시키는 목표를 달성합니다.
3.1 동일한 간격으로 단일 수신 안테나를 교차하는 두 개의 전송선 설계
"동일한 간격으로 단일 수신 안테나를 교차하는 두 개의 전송 라인 설계"에서는 두 쌍의 교차된 통신 전송 라인 L0 및 L1이 인코딩된 케이블 내에 배열됩니다. 단일 송신 안테나와 단일 수신 안테나가 사용됩니다. 수신 안테나는 도체를 여러 번 교차 패턴으로 감아서 구성되므로 수신 코일 1과 수신 코일 2로 구성된다고 간주할 수 있습니다. 교차된 전송 선로 사이의 간격, 교차된 수신 안테나 사이의 간격 및 송신 코일의 폭은 모두 W입니다. 그림 3에 표시됩니다.
그림 3(a)는 실제 구조와 작동의 개략도를 보여줍니다. 그림 3(b)는 전송 라인 L0 및 L1, 전송 안테나 및 수신 안테나의 단순화된 개략도이며 분석의 용이성을 위해 평면으로 배치되어 있습니다. 실제 적용에서는 W=20 cm입니다.
3.2 전송선 간섭 억제 분석
기관차의 송신 안테나에 신호 전류가 인가되면 제어 센터는 통신 전송선을 통해 신호를 수신합니다. 간섭 잡음을 억제하기 위해 전송선 L0은 W의 일정한 간격으로 교차됩니다. 멀리서 보면 연선-쌍 케이블로 나타나며 수 dB에서 30dB까지의 간섭 잡음 억제 기능을 제공하며 평균 최대 15dB입니다.
통신 신호의 경우, 수학식 3에 따르면, 통신 전송 선로 L0에 유도된 신호의 진폭 AL0은 안테나 위치 x의 함수입니다. 송신 코일의 중심이 L0, AL0=0의 교차점과 정렬되어 채널 데드존이 발생합니다. 이러한 상황을 피하기 위해 추가 통신 전송 라인 쌍 L1은 그림 3과 같이 교차점이 L0의 교차점과 오프셋되도록 코딩 케이블 내에 배열됩니다. d0 및 d1은 전송 코일의 위치 x가 각각 L0 및 L1 전송 라인의 중심선에서 오프셋되는 거리를 나타냅니다. 그런 다음 r=d0 + d1입니다. eL0은 전송선 L0에 의해 유도된 신호를 나타내고, eL1은 전송선 L1에 의해 유도된 신호를 나타냅니다. 제어실의 전자 장비에서는 eL1이 90도 이동된 신호 e'L1-을 eL0과 합산하여 복합 신호 e를 얻습니다. 방정식 (2)에 따르면 다음과 같습니다.
이 시점에서 송신 안테나는 최악의 위치에 있습니다. e의 벡터 다이어그램은 그림 4에 나와 있습니다.
위의 분석은 그림 3에 표시된 교차 이중-전송-라인 수신기가 간섭 잡음을 억제하는 데 매우 효과적이라는 것을 나타냅니다. 통신 신호의 경우 송신 안테나가 최악의-위치에 있을 때 3dB 감쇠가 발생합니다.
3.3 수신 안테나에 의한 간섭 억제 분석
간섭 잡음의 경우 기존 수신 안테나는 교차-결합이 없고 간섭 저항이 부족한 단일 코일로 구성됩니다. 그러나 그림 3에 표시된 수신 안테나는 교차되는 수신 코일 1과 2를 특징으로 합니다. 현장에서 작동하는 동안 두 코일에 유도된 간섭 잡음 기전력 eN1 및 eN2는 위상이 다릅니다. 잡음 전자파가 수신 안테나의 x- 방향을 따라 작은 2W 영역 내에 균일하게 분포하면 eN1=−eN2이고, 수신 안테나에서 추출되는 잡음 기전력 eN은 eN1 + eN2=0.
통신 신호의 경우 중앙 제어실에서 전송되는 변조 신호 f₀를 증폭하여 전송선 L₀을 통해 전송합니다. 신호 f₁(f₀와 90도 위상차)가 증폭되어 전송선 L₁을 통해 전송됩니다. 이 두 신호는 코딩 케이블 근처 공간에 결합된 전자기장을 생성하며, 이는 코딩 케이블 근처에 위치한 수신 안테나에 의해 감지되고 수신됩니다. f₀ 및 f₁은 직교하므로 채널 데드존이 방지됩니다. 기존의 수신 안테나에서 생성된 유도 신호는 방정식(6)으로 설명됩니다. 그림 3에 표시된 것처럼 수신 안테나는 수신 코일 1과 2에서 각각 유도 기전력 e(1)과 e(2)를 생성합니다. 등거리 교차 특성으로 인해 수신 안테나는 어느 위치에서나 다음 사항을 만족합니다.
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); 방정식 (6)에 따르면 e(1)과 e(2)의 크기는 동일합니다.
(2) 전송선 Li(i= 0, 1)의 K 영역에서 생성된 전자기장이 수신 코일 1을 지배한다면 K+1 영역에서 생성된 전자기장이 수신 코일 2를 지배합니다. 전송 선로의 교차로 인해 K+1 영역에서 생성된 전자기장은 K 영역에서 생성된 전자기장과 위상이 어긋납니다. 수신 코일 2가 수신 코일 1과 교차하므로 두 번의 위상 반전 후에 e(1)과 e(2)는 동일해진다.
따라서, 통신 신호로부터 수신 안테나가 추출하는 유도 기전력 e=e(1) + e(2)=2e(1)은 기존 수신 안테나의 2배가 된다.
또한 송신 코일이 신호를 보낼 때 송신 코일 양단의 전압은 200Vp-p입니다. 강한 송신 신호가 수신기의 프리앰프 회로를 손상시키는 것을 방지하기 위해 송신 코일은 수신 안테나의 두 코일 사이에 배치됩니다. 이러한 방식으로 송신 안테나 신호에 의해 수신 안테나에 유도되는 기전력은 거의 0이 됩니다.
3.4 수신 안테나 간섭 억제에 대한 실험적 분석
실험조건은 전송선로의 전체 길이가 3m, W= 20mm로 하였다. 실제 유도형 무선 데이터 통신 장비 세트가 사용되었으며, 통신 속도는 4800b/s, FSK 변조, 반송파 주파수는 49kHz입니다. 정상 작동 중에 L0을 통과하는 변조된 신호의 피크 전류는 0.07A였습니다. 송신 안테나 코일을 통과하는 변조된 신호의 피크 전류는 0.38A였습니다.
실험 동안 전송 코일과 인코딩된 케이블 사이의 거리 z는 200mm로 유지되었으며, 전송 코일의 중심은 L0의 한 교차점과 정렬되도록 유지되었습니다. 이러한 조건에서 전송선 L1의 유도 신호 전압 진폭은 VL1=25 mVp-p로 측정되었으며, 수신 안테나의 유도 신호 전압 진폭은 VA=20 mVp-p로 측정되었습니다.
신호 발생기가 간섭 소스로 사용되고 한 쌍의 병렬 전선이 간섭을 유발하기 위해 결합되는 경우 그림 5를 참조하십시오. 신호 발생기는 간섭 전압 v=Vm sin(2πft)을 출력합니다. 여기서 f=49 kHz 및 R=130 Ω입니다.
그림 5(a)의 실험은 기존 수신 안테나에서의 간섭에 해당하고, 그림 5(b)의 실험은 수신 안테나의 교차 코일에서의 간섭에 해당합니다. VNm(피크-~-피크)은 수신 안테나에서 추출된 간섭-유발 기전력을 나타냅니다. 표 1은 두 실험의 데이터를 나타냅니다.
실험 결과에 따르면 시스템은 최대 48dB의 간섭 잡음 억제를 달성했습니다. 위에 제시된 이론적 및 실험적 분석은 등거리 교차 수신 안테나를 사용하면 강력한 간섭 잡음 억제를 제공할 뿐만 아니라 기존 수신 안테나에 비해 통신 신호에서 6dB 이득을 제공하여 신호-대-잡음 비율을 크게 향상시킨다는 것을 보여줍니다.
4 결론
"동일한 거리에서 단일 수신 안테나로 이중 전송 라인을 교차"하는 간섭 억제 기술은 유도 무선 기술을 활용하는 이동 기관차의 컴퓨터 기반 중앙 제어 관리 시스템에 적용되었습니다. 실제 응용 분야에서 이 기술은 산업 환경에서 간섭을 억제하는 데 효과적인 것으로 입증되었으며, 특히 가변-주파수 속도 제어 장치에서 생성된 동일 채널 간섭을 효과적으로 억제하여 데이터 통신의 신뢰성을 보장합니다. 물론, 본 논문에서 제안하는 유도형 무선 데이터 통신을 위한 간섭 억제 기술은 수신단에서의 잡음 억제만을 다루고 있다. 열악한 산업 환경에서 작동하는 전자 장비의 경우 접지 및 차폐와 같은 추가 조치를 구현해야 합니다. 이는 이 문서의 범위를 벗어납니다.