1 Introduction
Dans l'automatisation industrielle, les méthodes de communication filaires pour la transmission de données entre les véhicules mobiles et les salles de contrôle centrales sont peu pratiques en raison de la nécessité de faire glisser les câbles de communication ; Les méthodes de communication sans fil, en revanche, souffrent de taux d'erreur élevés en raison des conditions difficiles des environnements industriels. La communication de données sans fil basée sur l'induction (transmission de données par radio à induction) utilise l'induction électromagnétique entre un câble codé (également appelé bus à induction) et une antenne à induction pour échanger des informations. La portée de communication sans fil étant strictement limitée à 5 - 20 cm, cette méthode garantit à la fois la flexibilité du mouvement de la locomotive et la fiabilité de la qualité de la communication, tout en permettant également un suivi en temps réel-de la position de la locomotive en mouvement pendant la communication.
Les équipements électriques en milieu industriel, en particulier les dispositifs de contrôle de vitesse à fréquence variable-sur les locomotives en mouvement, peuvent générer de fortes harmoniques identiques ou similaires à la fréquence porteuse de la communication de données sans fil inductive. Cette interférence co-fréquence ne peut pas être atténuée par des filtres passe-bande. Si des mesures efficaces ne sont pas prises au niveau de l'entrée pour la supprimer, le taux d'erreur de la communication de données sans fil inductive augmentera considérablement, rendant potentiellement le système inutilisable. La phase I de modernisation du système électrique du four à coke de Baosteel a utilisé des équipements importés du Japon. En fonctionnement réel, "des interruptions fréquentes dans la communication des jeux de barres d'induction ont été observées, l'analyse attribuant la cause à de fortes interférences aléatoires et à une distorsion de détection de l'antenne". Par conséquent, dans certaines applications pratiques, la technologie sans fil inductive a été abandonnée pour la communication de données, seule la technologie de détection de position inductive sans fil étant adoptée.
Pour supprimer les interférences dans la communication de données sans fil inductive, des experts et des universitaires dans le domaine ont mené des recherches approfondies. Une étude a proposé une configuration d'antenne de réception différentielle sans fil inductive, tandis qu'une autre a suggéré une méthode utilisant des antennes de réception doubles avec une seule ligne de transmission. La technique de suppression des interférences co-canal "doubles lignes de transmission croisées avec une seule antenne de réception à espacement égal" pour la communication de données sans fil inductive présentée dans cet article peut supprimer efficacement le bruit d'interférence co-canal, améliorer le rapport signal-sur-bruit et convient à la détection de position au sol-.
2 principes de base de la communication de données sans fil inductive
Pour analyser le principe par lequel-la technologie de suppression des interférences co-canal améliore le rapport signal-sur-bruit dans la communication de données sans fil inductive, nous fournissons d'abord une brève analyse et une introduction aux principes de base de la communication de données sans fil inductive.
2.1 Câble codé et antenne inductive
Le câble codé est de forme plate et contient plusieurs paires de lignes de transmission qui se croisent en des points spécifiques selon un schéma de codage défini. Le câble codé est installé le long des voies de la locomotive mobile, avec une extrémité reliée à la salle de contrôle centrale.
L'antenne à induction se compose de deux ensembles de bobines-l'une servant d'antenne émettrice et l'autre d'antenne réceptrice-enfermées dans un boîtier en plastique, communément appelé boîtier d'antenne. Le boîtier d'antenne est monté sur la locomotive en mouvement et connecté à l'armoire de commande de la locomotive. Le boîtier d'antenne se déplace avec la locomotive et maintient à tout moment une distance de 5 à 20 cm du câble codé. Voir la figure 1.
Lorsque le boîtier d'antenne est positionné à proximité du câble codé, chaque paire de lignes de transmission dans le câble codé induit une réponse dans les bobines à l'intérieur du boîtier d'antenne, établissant ainsi un canal de communication sans fil à courte portée entre le boîtier d'antenne et le câble codé.
2.2 Analyse de l'amplitude et de la phase du signal induit
La figure 2 montre un diagramme schématique de la ligne de transmission L posée à plat le long de la bobine d'antenne. Sur la figure 2, la largeur de l'antenne et l'espacement entre les deux lignes de transmission qui se croisent dans le câble codé sont tous deux égaux à W, où W=2r.
Définition : Le point central de la bobine d'antenne est défini comme la position de la bobine d'antenne ; la région entre deux intersections de la ligne de transmission L est appelée région K de la ligne de transmission L (K=I, II, III, …), et la distance d représente l'écart de la position de la bobine d'antenne x par rapport à la ligne médiane de la région K correspondante.
En utilisant la bobine d'antenne comme bobine de transmission, nous analysons la force électromotrice induite e générée dans la ligne de transmission de communication. Selon la théorie de l'induction électromagnétique, lorsqu'un courant i=Imsinωt traverse la bobine d'antenne, la force électromotrice induite e dans la ligne de transmission est e=di/dt. Ici, le coefficient d'inductance mutuelle M est fonction de la position de la bobine d'antenne (x, y, z). En supposant que y et z restent constants lorsque la bobine d'antenne se déplace dans la direction x-, alors :
e=f(x)ωImcosωt
Parce qu'il y a une jonction, la FEM induite eI générée dans la région I de la ligne de transmission est déphasée par rapport à la FEM induite eII générée dans la région II. Si nous prenons la phase de eI comme référence, soit
Lorsque n est pair, la force électromotrice induite e dans la ligne de transmission est en phase avec eI ; lorsque n est impair, e est déphasé avec eI et le coefficient de phase est (–1)n.
Lorsque la distance z entre la bobine émettrice et le câble codé est petite, les lignes de flux magnétique générées par la bobine émettrice peuvent être estimées comme étant uniformément réparties le long de la direction x- et passant perpendiculairement à travers la ligne de transmission. Par conséquent, l'amplitude A de la force électromotrice induite e générée dans la ligne de transmission est proportionnelle à la zone d'induction effective de la ligne de transmission. Comme le montre la figure 2, lorsque la bobine d'antenne est en position 1 (d=0), la zone d'induction effective S=W × B est à son maximum et A=Amax. À la position d=r de la bobine d'antenne 3, la zone d'induction effective S=0, et A=0. À la position de la bobine d'antenne 2, la zone d'induction effective S=(W – 2d) × B. On obtient :
À l'inverse, si un courant traverse la ligne de transmission de communication et que la bobine d'antenne est utilisée comme bobine de réception, les équations (1) à (3) restent vraies sur la base du principe de l'inductance mutuelle.
3 techniques de suppression des bruits d'interférence
Pour supprimer les interférences, en particulier le bruit d'interférence dans le même canal, l'approche la plus efficace consiste à empêcher le bruit d'interférence de pénétrer à l'extrémité de réception. Par conséquent, la philosophie de conception est la suivante : en mettant en œuvre une conception raisonnable pour l'extrémité de réception dans la salle de contrôle-la ligne de transmission de communication par câble codée-et l'extrémité de réception sur le véhicule-l'antenne de réception-le bruit d'interférence est atténué tandis que les signaux de communication sont atténués le moins possible, pas atténués du tout, ou même amplifiés, atteignant ainsi l'objectif d'améliorer le rapport signal-sur-bruit.
3.1 Conception de deux lignes de transmission traversant une seule antenne de réception à espacement égal
Dans la « conception de deux lignes de transmission traversant une seule antenne de réception à espacement égal », deux paires de lignes de transmission de communication croisées, L0 et L1, sont disposées à l'intérieur du câble codé. Une seule antenne émettrice et une seule antenne réceptrice sont utilisées ; l'antenne de réception est formée par l'enroulement de conducteurs selon un motif croisé sur plusieurs tours et peut donc être considérée comme constituée d'une bobine de réception 1 et d'une bobine de réception 2. L'espacement entre les lignes de transmission croisées, l'espacement entre les antennes de réception croisées et la largeur de la bobine d'émission sont tous W. Comme le montre la figure 3.
La figure 3 (a) montre la structure réelle et un diagramme schématique de l'opération. La figure 3 (b) est un diagramme schématique simplifié des lignes de transmission L0 et L1, de l'antenne d'émission et de l'antenne de réception, disposées à plat pour faciliter l'analyse ; dans les applications réelles, W=20 cm.
3.2 Analyse de la suppression des interférences sur les lignes de transmission
Lorsqu'un courant de signal est appliqué à l'antenne d'émission de la locomotive, le centre de contrôle reçoit le signal via les lignes de transmission de communication. Pour supprimer les bruits parasites, la ligne de transmission L0 est traversée à intervalles réguliers de W. De loin, cela apparaît comme un câble à paire torsadée-, offrant une suppression des bruits parasites allant de plusieurs dB à 30 dB, avec une moyenne allant jusqu'à 15 dB.
Pour les signaux de communication, selon l'équation (3), l'amplitude AL0 du signal induit sur la ligne de transmission de communication L0 est fonction de la position de l'antenne x. Lorsque le centre de la bobine émettrice est aligné avec n'importe quel point d'intersection sur L0, AL0=0, cela entraîne une zone morte de canal. Pour éviter cette situation, une paire supplémentaire de lignes de transmission de communication, L1, est disposée à l'intérieur du câble de codage, avec leurs points d'intersection décalés par rapport à ceux de L0, comme le montre la figure 3. Supposons que d0 et d1 représentent les distances par lesquelles la position x de la bobine émettrice est décalée par rapport aux axes centraux des lignes de transmission L0 et L1, respectivement ; alors, r=d0 + d1. Soit eL0 représente le signal induit par la ligne de transmission L0, et eL1 représente le signal induit par la ligne de transmission L1. Dans l'équipement électronique de la salle de contrôle, le signal e'L1-qui est eL1 décalé de 90 degrés -est additionné à eL0 pour obtenir le signal composite e. D’après l’équation (2), nous avons :
À ce stade, l’antenne d’émission se trouve dans la pire position possible. Le diagramme vectoriel de e est présenté à la figure 4.
L'analyse ci-dessus indique que le récepteur à double ligne de-transmission-croisée illustré à la figure 3 est très efficace pour supprimer le bruit d'interférence. Pour les signaux de communication, il y a une atténuation de 3 dB lorsque l'antenne d'émission est dans la pire position-.
3.3 Analyse de la suppression des interférences par l'antenne de réception
Pour le bruit d'interférence, les antennes de réception traditionnelles sont constituées de bobines simples sans couplage croisé-et manquent de résistance aux interférences. L'antenne de réception représentée sur la figure 3 comporte cependant des bobines de réception 1 et 2 croisées. Lors du fonctionnement sur le terrain, les bruits parasites des forces électromotrices eN1 et eN2 induits dans les deux bobines sont déphasés. Si les ondes électromagnétiques de bruit sont uniformément réparties dans une petite zone de 2 W le long de la direction x- de l'antenne de réception, alors eN1=−eN2, et la force électromotrice du bruit extraite par l'antenne de réception, eN, est eN1 + eN2=0.
Pour les signaux de communication, le signal modulé f₀ à transmettre par la salle de contrôle centrale est amplifié et transmis via la ligne de transmission L₀ ; le signal f₁ (qui est déphasé de 90 degrés par rapport à f₀) est amplifié et transmis via la ligne de transmission L₁. Ces deux signaux génèrent un champ électromagnétique combiné dans l'espace proche du câble de codage, qui est détecté et reçu par l'antenne de réception située à proximité du câble de codage. Puisque f₀ et f₁ sont orthogonaux, les zones mortes des canaux sont évitées. Les signaux induits générés dans une antenne de réception traditionnelle sont décrits par l'équation (6). Comme le montre la figure 3, l'antenne de réception génère des forces électromotrices induites e(1) et e(2) dans les bobines de réception 1 et 2, respectivement. En raison des caractéristiques de croisement équidistant, l’antenne de réception satisfait aux conditions suivantes dans n’importe quelle position :
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); selon l'équation (6), les grandeurs de e(1) et e(2) sont égales ;
(2) Si le champ électromagnétique généré dans la région K de la ligne de transmission Li (i=0, 1) domine la bobine de réception 1, alors le champ électromagnétique généré dans la région K+1 domine la bobine de réception 2. En raison du croisement des lignes de transmission, le champ électromagnétique généré dans la région K+1 est déphasé par rapport à celui généré dans la région K. Puisque la bobine de réception 2 est croisée avec la bobine de réception 1, après deux inversions de phase, les phases de e(1) et e(2) devient le même.
Par conséquent, la force électromotrice induite e=e(1) + e(2)=2e(1) extraite par l'antenne de réception du signal de communication est le double de celle d'une antenne de réception conventionnelle.
De plus, lorsque la bobine d'émission envoie un signal, la tension aux deux extrémités de la bobine d'émission est de 200 Vp-p. Pour éviter que le fort signal transmis n'endommage le circuit préamplificateur du récepteur, la bobine d'émission est placée entre les deux bobines de l'antenne de réception. De cette manière, la force électromotrice induite dans l'antenne de réception par le signal de l'antenne d'émission est approximativement nulle.
3.4 Analyse expérimentale de la suppression des interférences de l'antenne de réception
Les conditions expérimentales étaient les suivantes : la longueur totale de la ligne de transmission était de 3 m et W=20 mm. Un ensemble d'équipements de communication de données sans fil inductifs a été utilisé, avec un débit de communication de 4 800 b/s, une modulation FSK et une fréquence porteuse de 49 kHz. En fonctionnement normal, le courant de crête du signal modulé traversant L0 était de 0,07 A ; le courant de crête du signal modulé traversant la bobine de l'antenne d'émission était de 0,38 A.
Au cours de l'expérience, la distance z entre la bobine émettrice et le câble codé a été maintenue à 200 mm et le centre de la bobine émettrice a été maintenu aligné avec un croisement de L0. Dans ces conditions, l'amplitude de la tension du signal induit sur la ligne de transmission L1 a été mesurée comme étant VL1=25 mVp-p, et l'amplitude de la tension du signal induit sur l'antenne de réception a été mesurée comme étant VA=20 mVp-p.
Si un générateur de signal est utilisé comme source d'interférence et qu'une paire de fils parallèles est utilisée pour le couplage afin d'induire des interférences, voir la figure 5. Le générateur de signal produit une tension d'interférence v=Vm sin(2πft), où f=49 kHz et R=130 Ω.
L'expérience présentée sur la figure 5(a) correspond à une interférence dans une antenne de réception conventionnelle, tandis que l'expérience présentée sur la figure 5(b) correspond à une interférence dans les bobines croisées d'une antenne de réception. Soit VNm (crête-à-crête) désignant la force électromotrice induite par l'interférence-extraite de l'antenne de réception. Le tableau 1 présente les données des deux expériences.
Les résultats expérimentaux montrent que le système atteint une suppression des bruits parasites allant jusqu'à 48 dB. Les analyses théoriques et expérimentales présentées ci-dessus démontrent que l'utilisation d'antennes de réception croisées équidistantes permet non seulement une forte suppression du bruit d'interférence, mais offre également un gain de 6 dB dans les signaux de communication par rapport aux antennes de réception traditionnelles, améliorant ainsi considérablement le rapport signal-sur-bruit.
4 Conclusion
La technique de suppression des interférences consistant à "traverser deux lignes de transmission avec une seule antenne de réception à des distances égales" a été appliquée dans un système informatique de gestion de contrôle centralisé-pour locomotives mobiles utilisant une technologie sans fil inductive. Dans des applications pratiques, cette technique s'est avérée efficace pour supprimer les interférences dans les environnements industriels, en particulier pour supprimer efficacement les interférences co-canal générées par les dispositifs de contrôle de vitesse à fréquence variable-, garantissant ainsi la fiabilité de la communication des données. Bien entendu, la technologie de suppression des interférences pour la communication de données sans fil inductive proposée dans cet article ne concerne que la suppression du bruit à l'extrémité de réception. Pour les équipements électroniques fonctionnant dans des environnements industriels difficiles, des mesures supplémentaires telles que la mise à la terre et le blindage doivent être mises en œuvre ; ceux-ci dépassent la portée de cet article.