1 はじめに
産業オートメーションでは、移動車両と中央制御室の間でデータを送信するための有線通信方法は、通信ケーブルを引きずる必要があるため不便です。一方、無線通信方式は、産業環境の過酷な条件により、高いエラー率に悩まされます。誘導-ベースの無線データ通信 (誘導無線によるデータ送信) は、コード化されたケーブル (誘導バスとも呼ばれます) と誘導アンテナ間の電磁誘導を利用して情報を交換します。無線通信範囲は 5 ～ 20 cm に厳密に制限されているため、この方法では機関車の動きの柔軟性と通信品質の信頼性の両方が保証されると同時に、通信中に移動する機関車の位置をリアルタイムで追跡することも可能になります。-
産業環境の電気機器、特に移動機関車の可変周波数速度制御装置は、誘導無線データ通信の搬送周波数と同一または類似の強力な高調波を生成する可能性があります。{0}この同一周波数干渉は、バンドパス フィルターでは減衰できません。入力側でそれを抑制するための効果的な対策が講じられていない場合、誘導無線データ通信のエラー率が大幅に増加し、システムが動作不能になる可能性があります。宝鋼社の第 1 期コークス炉電気システムの改修には、日本から輸入された機器が使用されました。実際の運用では「誘導母線通信の頻繁な中断が観測され、原因はランダムな強い干渉とアンテナ検出の歪みと分析された」という。その結果、一部の実際のアプリケーションでは、データ通信には誘導無線技術が放棄され、誘導無線位置検出技術のみが採用されています。
誘導無線データ通信における干渉を抑制するために、この分野の専門家や学者は広範な研究を行ってきました。ある研究では誘導無線差動受信アンテナ構成が提案され、別の研究では単一の伝送線路でデュアル受信アンテナを使用する方法が提案されました。この論文で紹介されている誘導無線データ通信用の「等間隔の単一受信アンテナを備えた交差二重伝送線」-技術は、同一チャネル干渉ノイズを効果的に抑制し、信号対雑音比を改善でき、地上-位置検出にも適しています。-
2 誘導無線データ通信の基本原理
同一チャネル干渉抑制技術が誘導型無線データ通信における信号対雑音比を改善する原理を分析するため、最初に誘導型無線データ通信の基本原理を簡単に分析し紹介します。{{0}
2.1 エンコードされたケーブルと誘導アンテナ
エンコードされたケーブルは平らな形状で、定義されたコード化スキームに従って特定の点で交差する伝送線のペアがいくつか含まれています。エンコードされたケーブルは移動機関車の線路に沿って設置され、一端は中央制御室に接続されます。
誘導アンテナは、一般にアンテナ ボックスと呼ばれるプラスチックの箱に収められた 2 組のコイルで構成されています-1 つは送信アンテナとして機能し、もう 1 つは受信アンテナとして機能します-。アンテナ ボックスは走行中の機関車に取り付けられ、機関車の制御キャビネットに接続されます。アンテナ ボックスは機関車とともに移動し、コード化されたケーブルから常に 5 ～ 20 cm の距離を維持します。図 1 を参照してください。
アンテナ ボックスがエンコードされたケーブルの近くに配置されると、エンコードされたケーブル内の各伝送線のペアがアンテナ ボックス内のコイルに応答を誘導し、それによってアンテナ ボックスとエンコードされたケーブルの間に短距離無線通信チャネルが確立されます。-
2.2 誘導信号の振幅と位相の解析
図 2 に、アンテナ コイルに沿って平らに配置された伝送線路 L の概略図を示します。図 2 では、アンテナの幅と、エンコードされたケーブル内の 2 つの交差する伝送線間の間隔は両方とも W に等しくなります。ここで、W=2r.
定義: アンテナ コイルの中心点がアンテナ コイルの位置として定義されます。伝送線路 L の 2 つの交点の間の領域を伝送線路 L の領域 K (K=I, II, III, …) と呼び、距離 d は対応する領域 K の中心線からのアンテナコイル位置 x の偏差を表します。
アンテナコイルを送信コイルとして用いて、通信伝送路に発生する誘導起電力eを解析します。電磁誘導の理論によれば、アンテナコイルに電流 i=Imsinωt が流れるとき、伝送線路の誘導起電力は e=di/dt となります。ここで、相互インダクタンス係数 M はアンテナ コイルの位置 (x、y、z) の関数です。アンテナ コイルが x- 方向に沿って移動するときに y と z が一定のままであると仮定すると、次のようになります。
e=f(x)ωImcosωt
接合があるため、伝送線路の領域 I で発生する誘導起電力 eI は、領域 II で発生する誘導起電力 eII と位相がずれています。 eI の位相を基準にすると、
n が偶数の場合、伝送線路の誘導起電力 e は eI と同位相になります。 n が奇数の場合、e は eI と位相が異なり、位相係数は (-1)n になります。
送信コイルとエンコードされたケーブル間の距離 z が小さい場合、送信コイルによって生成される磁束線は x- 方向に沿って均一に分布し、伝送線路を垂直に通過すると近似できます。したがって、伝送線路に発生する誘導起電力eの大きさAは、伝送線路の実効誘導断面積に比例する。図 2 に示すように、アンテナ コイルが位置 1 (d=0) にあるとき、有効誘導面積 S=W × B は最大となり、A=Amax になります。アンテナ コイル 3 の位置 d=r では、有効誘導面積 S=0、A=0. アンテナ コイル 2 の位置では、有効誘導面積 S=(W – 2d) × B が得られます。
逆に、通信伝送路に電流を流し、アンテナコイルを受信コイルとして使用した場合でも、相互インダクタンスの原理により、式(1)～(3)が成り立ちます。
3 干渉ノイズ対策技術
干渉、特に同一チャネル干渉ノイズを抑制するには、受信側に干渉ノイズが入るのを防ぐのが最も効果的な方法です。{0}したがって、設計理念は次のとおりです。制御室の受信端-符号化ケーブル通信伝送路-と車両の受信端-受信アンテナ-の干渉ノイズを減衰させる一方で、通信信号の減衰を最小限に抑えるか、まったく減衰させないか、さらには増幅することにより、信号対雑音比を改善するという目標を達成します。-比率。
3.1 1 つの受信アンテナを等間隔で交差する 2 つの伝送線路の設計
「単一の受信アンテナを等間隔で交差する 2 本の伝送路の設計」では、交差する 2 組の通信伝送路 L0 と L1 が符号化ケーブル内に配置されます。単一の送信アンテナと単一の受信アンテナが使用されます。受信アンテナは導体を交差状に複数回巻くことで形成されているため、受信コイル1と受信コイル2から構成されるとみなすことができます。交差する伝送線路の間隔、交差する受信アンテナの間隔、送信コイルの幅はいずれもWです。図3に示すように。
図3(a)に実際の構造と動作の模式図を示します。図３（ｂ）は、分析を容易にするために平らに配置された、伝送線路Ｌ０およびＬ１、送信アンテナ、および受信アンテナの簡略化された概略図である。実際の用途では、W=20 cm。
3.2 伝送路干渉抑制の解析
信号電流が機関車の送信アンテナに印加されると、制御センターは通信伝送線を介して信号を受信します。干渉ノイズを抑制するために、伝送ライン L0 は W の一定間隔で交差します。遠くから見ると、これはツイストペア ケーブルのように見え、数 dB から 30 dB の範囲で、平均 15 dB もの干渉ノイズを抑制します。{3}
通信信号の場合、式（３）によれば、通信伝送路Ｌ０上の誘導信号の振幅ＡＬ０は、アンテナ位置ｘの関数である。送信コイルの中心が L0、AL0=0 上の任意の交点と一致すると、チャネル デッド ゾーンが生じます。この状況を回避するために、図 3 に示すように、追加の通信伝送線のペア L1 がコーディング ケーブル内に配置され、その交点が L0 の交点からオフセットされます。送信コイルの位置 x が L0 および L1 伝送線の中心線からオフセットされる距離をそれぞれ d0 および d1 とします。次に、r=d0 + d1。 eL0 が伝送線路 L0 によって誘導される信号を表し、eL1 が伝送線路 L1 によって誘導される信号を表すものとします。制御室の電子機器では、eL1を90度シフトした信号e'L1-がeL0と加算され、合成信号eが得られます。方程式 (2) によれば、次のようになります。
この時点で、送信アンテナは最悪の位置にあります。 e のベクトル図を図 4 に示します。
上記の分析は、図 3 に示す交差デュアル伝送線受信機が干渉ノイズの抑制に非常に効果的であることを示しています。{0}通信信号の場合、送信アンテナが最悪の場合の位置にある場合、3 dB の減衰が発生します。-。
3.3 受信アンテナによる干渉抑圧の解析
干渉ノイズの場合、従来の受信アンテナはクロスカップリングのない単一コイルで構成されており、干渉耐性がありません。{0}ただし、図 3 に示す受信アンテナは、受信コイル 1 と受信コイル 2 が交差しているのが特徴です。現場での動作中、2 つのコイルに誘導される干渉ノイズ起電力 eN1 と eN2 は位相が異なります。ノイズ電磁波が受信アンテナの x- 方向に沿った 2W の小さな領域内に均一に分布している場合、eN1=−eN2 となり、受信アンテナによって抽出されるノイズ起電力 eN は eN1 + eN2=0. となります。
通信信号の場合、中央制御室から送信される変調信号 f0 は増幅され、伝送路 L0 を介して送信されます。信号 f1 (f0 とは 90 度位相が異なる) は増幅され、伝送線路 L1 を介して送信されます。これら 2 つの信号は、コーディング ケーブルの近くの空間に結合電磁場を生成し、コーディング ケーブルの近くにある受信アンテナによって検出および受信されます。 f0 と f1 は直交しているため、チャネルの不感帯は回避されます。従来の受信アンテナで生成される誘導信号は、式 (6) で表されます。図3に示すように、受信アンテナは受信コイル1、2にそれぞれ誘導起電力e(1)、e(2)を発生させます。等距離交差の特性により、受信アンテナはどの位置でも次の条件を満たします。
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2);式 (6) によれば、e(1) と e(2) の大きさは等しい。
(2) 伝送線路 Li (i=0, 1) の領域 K で発生する電磁場が受信コイル 1 を支配すると、領域 K+1 で発生する電磁場は受信コイル 2 を支配します。伝送線路が交差しているため、領域 K+1 で発生する電磁場は領域 K で発生する電磁場と位相が異なります。受信コイル 2 は受信コイル 1 と交差しているため、2 つの位相反転の後、e(1) と e(1) の位相は一致します。 e(2)も同じになります。
したがって、受信アンテナが通信信号から抽出する誘導起電力 e=e(1) + e(2)=2 e(1) は、従来の受信アンテナの 2 倍になります。
さらに、送信コイルが信号を送信するとき、送信コイルの両端の電圧は 200 Vp-p になります。強い送信信号が受信機のプリアンプ回路に損傷を与えるのを防ぐために、送信コイルは受信アンテナの 2 つのコイルの間に配置されます。このように、送信アンテナ信号によって受信アンテナに誘導される起電力はほぼゼロになります。
3.4 受信アンテナ干渉抑制の実験解析
実験条件は以下の通りである:伝送線路の全長は 3 m、W= 20 mm である。実際の誘導型無線データ通信装置一式を使用し、通信速度 4800 b/s、FSK 変調、搬送周波数 49 kHz を使用しました。通常動作中、L0 を通過する変調信号のピーク電流は 0.07 A でした。送信アンテナ コイルを通過する変調信号のピーク電流は 0.38 A でした。
実験中、送信コイルとエンコードされたケーブルの間の距離 z は 200 mm に維持され、送信コイルの中心は L0 の 1 つの交差点に位置合わせされたままでした。これらの条件下で、伝送線路 L1 上の誘導信号電圧の振幅は VL1=25 mVp-p と測定され、受信アンテナ上の誘導信号電圧の振幅は VA=20 mVp-p と測定されました。
信号発生器が干渉源として使用され、一対の平行ワイヤが干渉を誘発する結合に使用される場合は、図 5 を参照してください。信号発生器は干渉電圧 v=Vm sin(2πft) を出力します。ここで、f=49 kHz および R=130 Ω。
図 5(a) に示す実験は従来の受信アンテナでの干渉に対応し、図 5(b) に示す実験は受信アンテナの交差コイルでの干渉に対応します。 VNm (ピーク-から-ピーク) が受信アンテナから抽出された干渉-誘起起電力を表すものとします。表 1 は両方の実験のデータを示しています。
実験結果は、このシステムが最大 48 dB の干渉ノイズ抑制を達成することを示しています。上記の理論的および実験的分析は、等距離に交差した受信アンテナを使用すると、強力な干渉ノイズ抑制が提供されるだけでなく、従来の受信アンテナと比較して通信信号に 6 dB の利得がもたらされ、それによって信号対雑音比が大幅に改善されることを示しています。-
4 結論
「単一の受信アンテナで二重の伝送線を等距離で交差させる」ことを含む干渉抑制技術は、誘導無線技術を利用した移動機関車用のコンピュータベースの集中制御管理システムに適用されています。{0}実際の応用では、この技術は産業環境における干渉の抑制、特に可変周波数速度制御装置によって生成される同一チャネル干渉を効果的に抑制するのに効果的であることが証明されています。{{3}これにより、データ通信の信頼性が確保されます。もちろん、本論文で提案する誘導型無線データ通信における干渉抑制技術は、受信側でのノイズ抑制のみを対象としています。過酷な産業環境で動作する電子機器の場合は、接地やシールドなどの追加の対策を講じる必要があります。これらはこの文書の範囲外です。