1 Giới thiệu
Trong tự động hóa công nghiệp, các phương thức liên lạc có dây để truyền dữ liệu giữa phương tiện di động và phòng điều khiển trung tâm còn bất tiện do phải kéo cáp liên lạc; Mặt khác, các phương thức liên lạc không dây có tỷ lệ lỗi cao do điều kiện khắc nghiệt của môi trường công nghiệp. Giao tiếp dữ liệu không dây dựa trên cảm ứng-(Truyền dữ liệu bằng vô tuyến cảm ứng) sử dụng cảm ứng điện từ giữa cáp được mã hóa (còn được gọi là bus cảm ứng) và ăng-ten cảm ứng để trao đổi thông tin. Do phạm vi liên lạc không dây bị giới hạn nghiêm ngặt ở mức 5–20 cm nên phương pháp này vừa đảm bảo tính linh hoạt khi chuyển động của đầu máy vừa đảm bảo độ tin cậy của chất lượng liên lạc, đồng thời cho phép theo dõi thời gian thực về vị trí của đầu máy đang di chuyển trong quá trình liên lạc.
Thiết bị điện trong môi trường công nghiệp, đặc biệt là các thiết bị-điều khiển tốc độ tần số thay đổi trên đầu máy xe lửa đang chuyển động, có thể tạo ra các sóng hài mạnh giống hệt hoặc tương tự với tần số sóng mang của truyền dữ liệu không dây cảm ứng. Sự can thiệp đồng tần số này không thể giảm bớt bằng các bộ lọc thông dải. Nếu các biện pháp hiệu quả không được thực hiện ở đầu vào để ngăn chặn nó, tỷ lệ lỗi khi truyền dữ liệu không dây cảm ứng sẽ tăng lên đáng kể, có khả năng khiến hệ thống không thể hoạt động. Hệ thống điện lò luyện cốc giai đoạn I được trang bị thêm tại Baosteel sử dụng thiết bị nhập khẩu từ Nhật Bản. Trong hoạt động thực tế, "người ta đã quan sát thấy sự gián đoạn thường xuyên trong giao tiếp thanh cái cảm ứng và phân tích cho rằng nguyên nhân là do nhiễu mạnh ngẫu nhiên và biến dạng phát hiện ăng-ten." Do đó, trong một số ứng dụng thực tế, công nghệ không dây cảm ứng đã bị loại bỏ để truyền dữ liệu mà chỉ áp dụng công nghệ phát hiện vị trí không dây cảm ứng.
Để ngăn chặn sự can thiệp trong giao tiếp dữ liệu không dây cảm ứng, các chuyên gia và học giả trong lĩnh vực này đã tiến hành nghiên cứu sâu rộng. Một nghiên cứu đề xuất cấu hình ăng-ten thu vi sai không dây cảm ứng, trong khi một nghiên cứu khác đề xuất phương pháp sử dụng ăng-ten thu kép với một đường truyền duy nhất. Kỹ thuật triệt tiêu nhiễu đồng{2}}kênh "các đường truyền kép bắt chéo với một ăng-ten thu sóng có khoảng cách bằng nhau" dành cho truyền dữ liệu không dây cảm ứng được trình bày trong bài viết này có thể triệt tiêu nhiễu nhiễu đồng{3}}kênh một cách hiệu quả, cải thiện tỷ lệ nhiễu tín hiệu-trên-nhiễu và phù hợp để phát hiện vị trí trên mặt đất{6}}.
2 nguyên tắc cơ bản của truyền dữ liệu không dây cảm ứng
Để phân tích nguyên tắc giúp-công nghệ triệt tiêu nhiễu đồng kênh cải thiện tỷ lệ tín hiệu-trên-nhiễu trong giao tiếp dữ liệu không dây quy nạp, trước tiên chúng tôi cung cấp bản phân tích ngắn gọn và giới thiệu về các nguyên tắc cơ bản của giao tiếp dữ liệu không dây quy nạp.
2.1 Cáp mã hóa và anten cảm ứng
Cáp được mã hóa có hình dạng phẳng và chứa một số cặp đường truyền cắt nhau tại các điểm cụ thể theo sơ đồ mã hóa xác định. Cáp mã hóa được lắp đặt dọc theo đường ray của đầu máy di động, một đầu nối với phòng điều khiển trung tâm.
Ăng-ten cảm ứng bao gồm hai bộ cuộn dây-một bộ đóng vai trò là ăng-ten phát và bộ kia đóng vai trò là ăng-ten thu-được bọc trong hộp nhựa, thường được gọi là hộp ăng-ten. Hộp ăng-ten được gắn trên đầu máy đang di chuyển và nối với tủ điều khiển của đầu máy. Hộp ăng-ten di chuyển cùng với đầu máy và luôn duy trì khoảng cách 5–20 cm với cáp mã hóa. Xem Hình 1.
Khi hộp ăng-ten được đặt gần cáp được mã hóa, mỗi cặp đường truyền trong cáp được mã hóa sẽ tạo ra phản hồi trong các cuộn dây trong hộp ăng-ten, từ đó thiết lập kênh liên lạc không dây phạm vi ngắn giữa hộp ăng-ten và cáp được mã hóa.
2.2 Phân tích biên độ và pha của tín hiệu cảm ứng
Hình 2 thể hiện sơ đồ đường truyền L đặt phẳng dọc theo cuộn dây ăng ten. Trong Hình 2, chiều rộng của ăng-ten và khoảng cách giữa hai đường truyền giao nhau trong cáp được mã hóa đều bằng W, trong đó W=2r.
Định nghĩa: Điểm trung tâm của cuộn dây anten được xác định là vị trí của cuộn dây anten; Vùng giữa hai giao điểm của đường truyền L được gọi là vùng K của đường truyền L (K=I, II, III, …), và khoảng cách d biểu thị độ lệch của vị trí cuộn dây anten x so với đường tâm của vùng K tương ứng.
Sử dụng cuộn dây anten làm cuộn phát, chúng tôi phân tích suất điện động cảm ứng e sinh ra trong đường truyền thông tin. Theo lý thuyết cảm ứng điện từ, khi dòng điện i=Imsinωt chạy qua cuộn dây anten thì suất điện động cảm ứng trong đường dây truyền tải là e=di/dt. Ở đây, hệ số tự cảm lẫn nhau M là hàm số của vị trí cuộn dây ăng ten (x, y, z). Giả sử y và z không đổi khi cuộn dây ăng-ten di chuyển dọc theo hướng x- thì:
e=f(x)ωImcosωt
Do có một điểm nối nên suất điện động cảm ứng eI sinh ra ở vùng I của đường dây truyền tải lệch pha với suất điện động cảm ứng eII sinh ra ở vùng II. Nếu chúng ta lấy pha của eI làm tham chiếu, hãy
Khi n chẵn thì suất điện cảm ứng trong đường dây cùng pha với eI; khi n lẻ, e lệch pha với eI và hệ số pha là (–1)n.
Khi khoảng cách z giữa cuộn dây truyền và cáp được mã hóa nhỏ, các đường từ thông do cuộn dây truyền tạo ra có thể gần đúng là được phân bố đồng đều dọc theo hướng x{0}} và truyền vuông góc qua đường truyền. Do đó, độ lớn A của suất điện động cảm ứng e sinh ra trên đường dây truyền tải tỉ lệ thuận với diện tích cảm ứng hiệu dụng của đường dây truyền tải. Như được hiển thị trong Hình 2, khi cuộn dây ăng-ten ở vị trí 1 (d=0), vùng cảm ứng hiệu dụng S=W × B đạt mức tối đa và A=Amax. Tại vị trí d=r của cuộn dây anten 3, vùng cảm ứng hiệu dụng S=0 và A=0. Tại vị trí cuộn dây anten 2, vùng cảm ứng hiệu dụng S=(W – 2d) × B. Ta thu được:
Ngược lại, nếu có dòng điện chạy qua đường truyền thông tin và cuộn dây ăng-ten được sử dụng làm cuộn dây thu thì các phương trình từ (1) đến (3) vẫn đúng dựa trên nguyên lý tự cảm lẫn nhau.
3 kỹ thuật khử nhiễu nhiễu
Để triệt tiêu nhiễu, đặc biệt là nhiễu nhiễu đồng kênh, cách tiếp cận hiệu quả nhất là ngăn nhiễu nhiễu xâm nhập vào đầu thu. Do đó, triết lý thiết kế như sau: bằng cách triển khai một thiết kế hợp lý cho đầu thu trong phòng điều khiển-đường truyền liên lạc bằng cáp được mã hóa-và đầu thu trên xe-ăng-ten thu-nhiễu nhiễu được giảm đi trong khi tín hiệu liên lạc bị suy giảm ít nhất có thể, không bị suy giảm chút nào hoặc thậm chí được khuếch đại, nhờ đó đạt được mục tiêu cải thiện tỷ lệ tín hiệu-trên{7}}nhiễu.
3.1 Thiết kế hai đường truyền đi qua một anten thu đơn ở khoảng cách bằng nhau
Trong "thiết kế hai đường truyền đi qua một ăng-ten thu đơn ở khoảng cách bằng nhau", hai cặp đường truyền liên lạc chéo, L0 và L1, được bố trí trong cáp được mã hóa. Một ăng-ten phát và một ăng-ten thu được sử dụng; Ăng-ten thu được tạo thành bởi các dây dẫn cuộn theo mô hình bắt chéo qua nhiều vòng và do đó có thể được coi là bao gồm cuộn thu 1 và cuộn thu 2. Khoảng cách giữa các đường truyền chéo, khoảng cách giữa các ăng-ten thu chéo và chiều rộng của cuộn phát đều là W. Như minh họa trong Hình 3.
Hình 3(a) cho thấy cấu trúc thực tế và sơ đồ hoạt động. Hình 3(b) là sơ đồ đơn giản của các đường truyền L0 và L1, ăng ten phát và ăng ten thu, được bố trí phẳng để dễ phân tích; trong các ứng dụng thực tế, W=20 cm.
3.2 Phân tích khả năng triệt nhiễu đường truyền
Khi đưa dòng tín hiệu vào anten phát trên đầu máy, trung tâm điều khiển sẽ nhận tín hiệu qua đường truyền thông tin. Để triệt tiêu nhiễu nhiễu, đường truyền L0 được cắt chéo với khoảng cách đều đặn W. Từ xa, cáp này xuất hiện dưới dạng cáp-xoắn, mang lại khả năng khử nhiễu nhiễu từ vài dB đến 30 dB, với mức trung bình lên tới 15 dB.
Đối với tín hiệu liên lạc, theo phương trình (3), biên độ AL0 của tín hiệu cảm ứng trên đường truyền liên lạc L0 là hàm số của vị trí ăng ten x. Khi tâm của cuộn dây phát thẳng hàng với bất kỳ điểm giao nhau nào trên L0, AL0=0, dẫn đến vùng chết của kênh. Để tránh tình trạng này, một cặp đường truyền liên lạc bổ sung, L1, được bố trí trong cáp mã hóa, với các điểm giao nhau của chúng lệch so với các điểm giao nhau của L0, như trong Hình 3. Đặt d0 và d1 biểu thị khoảng cách mà vị trí x của cuộn dây phát tương ứng lệch khỏi đường tâm của đường truyền L0 và L1; thì r=d0 + d1. Đặt eL0 biểu thị tín hiệu do đường truyền L0 tạo ra và eL1 biểu thị tín hiệu do đường truyền L1 tạo ra. Trong thiết bị điện tử của phòng điều khiển, tín hiệu e'L1-được eL1 dịch chuyển 90 độ - được tổng bằng eL0 để thu được tín hiệu tổng hợp e. Theo phương trình (2), ta có:
Tại thời điểm này, anten phát đang ở vị trí tồi tệ nhất có thể. Sơ đồ vectơ của e được thể hiện trong Hình 4.
Phân tích ở trên chỉ ra rằng bộ thu-truyền-đường chéo chéo được hiển thị trong Hình 3 có hiệu quả cao trong việc triệt tiêu nhiễu nhiễu. Đối với tín hiệu liên lạc, có mức suy giảm 3 dB khi ăng-ten phát ở vị trí-trong trường hợp xấu nhất.
3.3 Phân tích khả năng triệt nhiễu của anten thu
Đối với nhiễu nhiễu, ăng-ten thu truyền thống bao gồm các cuộn dây đơn không có khớp nối chéo và thiếu khả năng chống nhiễu. Tuy nhiên, ăng-ten thu được hiển thị trong Hình 3 có đặc điểm là cuộn thu 1 và 2 bị chéo nhau. Trong quá trình làm việc tại hiện trường, các lực điện động nhiễu giao thoa eN1 và eN2 sinh ra trong hai cuộn dây lệch pha nhau. Nếu sóng điện từ nhiễu được phân bố đồng đều trong một khu vực nhỏ 2W dọc theo hướng x{10}}của ăng-ten thu thì eN1=−eN2 và lực điện động nhiễu do ăng-ten thu thu được, eN, là eN1 + eN2=0.
Đối với tín hiệu liên lạc, tín hiệu đã điều chế f₀ truyền từ phòng điều khiển trung tâm được khuếch đại và truyền qua đường truyền L₀; tín hiệu f₁ (lệch pha 90 độ với f₀) được khuếch đại và truyền qua đường truyền L₁. Hai tín hiệu này tạo ra một trường điện từ kết hợp trong không gian gần cáp mã hóa, được phát hiện và nhận bởi ăng ten thu nằm gần cáp mã hóa. Vì f₀ và f₁ trực giao nên tránh được vùng chết của kênh. Các tín hiệu cảm ứng được tạo ra trong ăng ten thu truyền thống được mô tả bằng phương trình (6). Như được hiển thị trong Hình 3, ăng-ten thu tạo ra lực điện động cảm ứng e(1) và e(2) tương ứng trong cuộn thu 1 và 2. Do đặc điểm giao nhau cách đều nhau nên anten thu đáp ứng các yêu cầu sau ở bất kỳ vị trí nào:
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); theo phương trình (6), độ lớn của e(1) và e(2) bằng nhau;
(2) Nếu trường điện từ tạo ra ở vùng K của đường truyền Li (i=0, 1) lấn át cuộn thu 1 thì trường điện từ tạo ra ở vùng K+1 sẽ lấn át cuộn thu 2. Do đường truyền giao nhau nên trường điện từ sinh ra ở vùng K+1 lệch pha với trường điện từ tạo ra ở vùng K. Do cuộn thu 2 giao nhau với cuộn thu 1 nên sau hai lần đảo pha, các pha e(1) và e(2) trở nên giống nhau.
Do đó, suất điện động cảm ứng e=e(1) + e(2)=2e(1) được ăng-ten thu lấy từ tín hiệu liên lạc gấp đôi so với ăng-ten thu thông thường.
Ngoài ra, khi cuộn dây phát gửi tín hiệu, điện áp ở cả hai đầu của cuộn dây phát là 200 Vp-p. Để ngăn tín hiệu truyền mạnh làm hỏng mạch tiền khuếch đại của máy thu, cuộn dây phát được đặt giữa hai cuộn dây của ăng ten thu. Theo cách này, suất điện động do tín hiệu anten phát tạo ra trong anten thu là xấp xỉ bằng không.
3.4 Phân tích thử nghiệm khả năng triệt nhiễu anten thu
Các điều kiện thí nghiệm như sau: tổng chiều dài của đường truyền là 3 m và W=20 mm. Một bộ thiết bị truyền dữ liệu không dây cảm ứng thực tế đã được sử dụng, với tốc độ truyền thông là 4800 b/s, điều chế FSK và tần số sóng mang là 49 kHz. Trong quá trình hoạt động bình thường, dòng điện cực đại của tín hiệu điều chế đi qua L0 là 0,07 A; dòng điện cực đại của tín hiệu điều chế đi qua cuộn dây anten phát là 0,38 A.
Trong quá trình thử nghiệm, khoảng cách z giữa cuộn dây phát và cáp được mã hóa được duy trì ở mức 200 mm và tâm của cuộn dây truyền được giữ thẳng hàng với một điểm giao nhau của L0. Trong những điều kiện này, biên độ của điện áp tín hiệu cảm ứng trên đường truyền L1 được đo là VL1=25 mVp-p và biên độ của điện áp tín hiệu cảm ứng trên ăng ten thu được đo là VA=20 mVp-p.
Nếu bộ tạo tín hiệu được sử dụng làm nguồn nhiễu và một cặp dây song song được sử dụng để ghép để gây nhiễu, xem Hình 5. Bộ tạo tín hiệu tạo ra điện áp nhiễu v=Vm sin(2πft), trong đó f=49 kHz và R=130 Ω.
Thí nghiệm trong Hình 5(a) tương ứng với nhiễu trong một ăng ten thu thông thường, trong khi thí nghiệm trong Hình 5(b) tương ứng với nhiễu trong các cuộn dây chéo của ăng ten thu. Đặt VNm (đỉnh-đến-đỉnh) biểu thị lực điện động-gây ra nhiễu được chiết ra từ ăng-ten thu. Bảng 1 trình bày dữ liệu cho cả hai thí nghiệm.
Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống đạt được khả năng khử nhiễu nhiễu lên tới 48 dB. Các phân tích lý thuyết và thử nghiệm được trình bày ở trên chứng minh rằng việc sử dụng các ăng-ten thu chéo cách đều nhau không chỉ giúp ngăn chặn nhiễu mạnh mà còn mang lại mức tăng 6 dB trong tín hiệu liên lạc so với các ăng-ten thu truyền thống, từ đó cải thiện đáng kể tỷ lệ tín hiệu-trên-nhiễu.
4 Kết luận
Kỹ thuật triệt tiêu nhiễu liên quan đến việc "đi qua đường truyền kép bằng một ăng-ten thu duy nhất ở khoảng cách bằng nhau" đã được áp dụng trong-hệ thống quản lý điều khiển tập trung dựa trên máy tính dành cho đầu máy di động sử dụng công nghệ không dây cảm ứng. Trong các ứng dụng thực tế, kỹ thuật này đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc triệt tiêu nhiễu trong môi trường công nghiệp, đặc biệt là trong việc triệt tiêu hiệu quả nhiễu đồng kênh do các thiết bị điều khiển tốc độ tần số thay đổi tạo ra, từ đó đảm bảo độ tin cậy của việc truyền dữ liệu. Tất nhiên, công nghệ khử nhiễu cho truyền thông dữ liệu không dây cảm ứng được đề xuất trong bài báo này chỉ giải quyết vấn đề khử nhiễu ở đầu thu. Đối với các thiết bị điện tử hoạt động trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt phải thực hiện thêm các biện pháp như nối đất, che chắn; những điều này nằm ngoài phạm vi của bài viết này.