1 مقدمة
في الأتمتة الصناعية، تعد طرق الاتصال السلكية لنقل البيانات بين المركبات المتنقلة وغرف التحكم المركزية غير مريحة بسبب الحاجة إلى سحب كابلات الاتصال؛ ومن ناحية أخرى، تعاني طرق الاتصال اللاسلكي من معدلات خطأ عالية بسبب الظروف القاسية للبيئات الصناعية. تستخدم اتصالات البيانات اللاسلكية المستندة إلى الحث- (نقل البيانات عن طريق الراديو الحث) الحث الكهرومغناطيسي بين كابل مشفر (المعروف أيضًا باسم ناقل الحث) وهوائي الحث لتبادل المعلومات. نظرًا لأن نطاق الاتصال اللاسلكي يقتصر بشكل صارم على 5-20 سم، فإن هذه الطريقة تضمن كلا من مرونة حركة القاطرة وموثوقية جودة الاتصال، مع تمكين أيضًا التتبع في الوقت الفعلي -لموضع القاطرة المتحركة أثناء الاتصال.
يمكن للمعدات الكهربائية في البيئات الصناعية، وخاصة أجهزة التحكم في سرعة التردد-المتغيرة على القاطرات المتحركة، توليد توافقيات قوية مماثلة أو مشابهة لتردد الموجة الحاملة لاتصالات البيانات اللاسلكية الاستقرائية. لا يمكن تخفيف تداخل التردد المشترك- هذا بواسطة مرشحات تمرير النطاق. إذا لم يتم اتخاذ تدابير فعالة عند الإدخال لمنع ذلك، فإن معدل الخطأ في اتصالات البيانات اللاسلكية الاستقرائية سوف يزيد بشكل كبير، مما قد يجعل النظام غير صالح للعمل. تستخدم المرحلة الأولى من تحديث النظام الكهربائي لفرن فحم الكوك في Baosteel معدات مستوردة من اليابان. في التشغيل الفعلي، "لوحظت انقطاعات متكررة في اتصال شريط التوصيل التعريفي، حيث أرجع التحليل السبب إلى التداخل القوي العشوائي وتشويه اكتشاف الهوائي." ونتيجة لذلك، في بعض التطبيقات العملية، تم التخلي عن التكنولوجيا اللاسلكية الاستقرائية لاتصالات البيانات، مع اعتماد التكنولوجيا الاستقرائية للكشف عن الموقع اللاسلكي فقط.
لقمع التداخل في اتصالات البيانات اللاسلكية الاستقرائية، أجرى الخبراء والباحثون في هذا المجال أبحاثًا مكثفة. اقترحت إحدى الدراسات تكوين هوائي استقبال تفاضلي لاسلكي حثي، في حين اقترحت أخرى طريقة تستخدم هوائيات استقبال مزدوجة مع خط نقل واحد. إن تقنية "خطوط النقل المزدوجة المتقاطعة مع هوائي استقبال واحد على مسافات متساوية"-تقنية منع تداخل القنوات المشتركة لاتصالات البيانات اللاسلكية الحثية المقدمة في هذه الورقة يمكن أن تمنع بشكل فعال-ضوضاء تداخل القناة المشتركة، وتحسين نسبة الإشارة-إلى-الضوضاء، كما أنها مناسبة لاكتشاف الموقع-على الأرض.
2 المبادئ الأساسية لاتصالات البيانات اللاسلكية الاستقرائية
لتحليل المبدأ الذي تعمل من خلاله تقنية منع تداخل القنوات المشتركة- على تحسين نسبة الإشارة-إلى-الضوضاء في اتصالات البيانات اللاسلكية الحثية، نقدم أولاً تحليلًا موجزًا ومقدمة للمبادئ الأساسية لاتصالات البيانات اللاسلكية الحثية.
2.1 الكابل المشفر والهوائي الاستقرائي
الكابل المشفر مسطح الشكل ويحتوي على عدة أزواج من خطوط النقل التي تتقاطع في نقاط محددة وفق نظام تشفير محدد. يتم تثبيت الكابل المشفر على طول مسارات القاطرة المتنقلة، مع توصيل أحد طرفيه بغرفة التحكم المركزية.
يتكون الهوائي التحريضي من مجموعتين من الملفات-تعمل إحداهما كهوائي الإرسال والأخرى كهوائي الاستقبال-مغلفة في صندوق بلاستيكي، يشار إليه عادة باسم صندوق الهوائي. يتم تثبيت صندوق الهوائي على القاطرة المتحركة وتوصيله بخزانة التحكم في القاطرة. يتحرك صندوق الهوائي مع القاطرة ويحافظ على مسافة 5-20 سم من الكابل المشفر في جميع الأوقات. انظر الشكل 1.
عندما يتم وضع صندوق الهوائي بالقرب من الكابل المشفر، فإن كل زوج من خطوط النقل في الكابل المشفر يؤدي إلى استجابة في الملفات داخل صندوق الهوائي، وبالتالي إنشاء قناة اتصال لاسلكية قصيرة المدى- بين صندوق الهوائي والكابل المشفر.
2.2 تحليل سعة ومرحلة الإشارة المستحثة
يوضح الشكل 2 رسمًا تخطيطيًا لخط النقل L المسطح بجانب ملف الهوائي. في الشكل 2، عرض الهوائي والتباعد بين خطي النقل المتقاطعين في الكبل المشفر يساوي W، حيث W=2r.
التعريف: يتم تعريف النقطة المركزية لملف الهوائي على أنها موضع ملف الهوائي؛ يشار إلى المنطقة الواقعة بين تقاطعين لخط النقل L بالمنطقة K لخط النقل L (K=I, II, III, …)، وتمثل المسافة d انحراف موضع ملف الهوائي x عن الخط المركزي للمنطقة المقابلة K.
باستخدام ملف الهوائي كملف الإرسال، قمنا بتحليل القوة الدافعة الكهربائية المستحثة e المتولدة في خط نقل الاتصالات. وفقا لنظرية الحث الكهرومغناطيسي، عندما يتدفق تيار i=Imsinωt عبر ملف الهوائي، فإن القوة الدافعة الكهربية المستحثة e في خط النقل هي e=di/dt. هنا، معامل الحث المتبادل M هو دالة لموضع ملف الهوائي (x، y، z). بافتراض أن y وz يظلان ثابتين بينما يتحرك ملف الهوائي على طول الاتجاه x-، إذن:
ه=f(x)ωImcosωt
نظرًا لوجود تقاطع، فإن emf eI المستحث المتولد في المنطقة I من خط النقل يكون خارج الطور مع emf eII المستحث المتولد في المنطقة II. إذا أخذنا مرحلة eI كمرجع، فلنفترض
عندما تكون n زوجية، فإن القوة الدافعة الكهربية المستحثة e في خط النقل تكون في الطور مع eI؛ عندما يكون n فرديًا، يكون e خارج الطور مع eI، ويكون معامل الطور (-1)n.
عندما تكون المسافة z بين ملف الإرسال والكابل المشفر صغيرة، يمكن تقريب خطوط التدفق المغناطيسي الناتجة عن ملف الإرسال على أنها موزعة بشكل موحد على طول اتجاه x- وتمر بشكل عمودي عبر خط النقل. لذلك، فإن المقدار A للقوة الدافعة الكهربية المستحثة e المتولدة في خط النقل يتناسب مع مساحة التحريض الفعالة لخط النقل. كما هو موضح في الشكل 2، عندما يكون ملف الهوائي في الموضع 1 (d=0)، تكون منطقة الحث الفعالة S=W × B في أقصى حد لها، و A=Amax. عند الموضع d=r لملف الهوائي 3، منطقة الحث الفعالة S=0، و A=0. عند موضع ملف الهوائي 2، منطقة الحث الفعال S=(W - 2d) × B. نحصل على:
على العكس من ذلك، إذا تم تمرير تيار عبر خط نقل الاتصالات وتم استخدام ملف الهوائي كملف استقبال، فإن المعادلات من (1) إلى (3) تظل صحيحة بناءً على مبدأ الحث المتبادل.
3 تقنيات منع الضوضاء المتداخلة
لمنع التداخل، وخاصة ضوضاء تداخل القناة المشتركة-، فإن الطريقة الأكثر فعالية هي منع ضوضاء التداخل من الدخول إلى الطرف المتلقي. ولذلك، فإن فلسفة التصميم هي كما يلي: من خلال تنفيذ تصميم معقول لطرف الاستقبال في غرفة التحكم -خط نقل اتصالات الكابل المشفر-وطرف الاستقبال في السيارة-هوائي الاستقبال-يتم تخفيف ضوضاء التداخل بينما يتم تخفيف إشارات الاتصال بأقل قدر ممكن، أو عدم تخفيفها على الإطلاق، أو حتى تضخيمها، وبالتالي تحقيق هدف تحسين الإشارة-إلى-الضوضاء نسبة.
3.1 تصميم خطي نقل يعبران هوائي استقبال واحد على مسافات متساوية
في "تصميم خطي نقل يعبران هوائي استقبال واحد على مسافات متساوية"، يتم ترتيب زوجين من خطوط نقل الاتصالات المتقاطعة، L0 وL1، داخل الكابل المشفر. ويستخدم هوائي إرسال واحد وهوائي استقبال واحد؛ يتكون هوائي الاستقبال من موصلات ملفوفة في نمط متقاطع على دورات متعددة، وبالتالي يمكن اعتباره يتكون من ملف الاستقبال 1 وملف الاستقبال 2. التباعد بين خطوط النقل المتقاطعة، والتباعد بين هوائيات الاستقبال المتقاطعة، وعرض ملف الإرسال كلها W. كما هو مبين في الشكل 3.
ويبين الشكل 3 (أ) الهيكل الفعلي والرسم التخطيطي للعملية. الشكل 3 (ب) عبارة عن رسم تخطيطي مبسط لخطوط النقل L0 وL1 وهوائي الإرسال وهوائي الاستقبال، وقد تم وضعه بشكل مسطح لسهولة التحليل؛ في التطبيقات الفعلية، W=20 سم.
3.2 تحليل قمع تدخل خط النقل
عندما يتم تطبيق تيار إشارة على هوائي الإرسال على القاطرة، يستقبل مركز التحكم الإشارة عبر خطوط نقل الاتصالات. لقمع ضوضاء التداخل، يتم عبور خط النقل L0 على فترات منتظمة تبلغ W. ومن مسافة بعيدة، يظهر هذا ككابل مزدوج ملتوي-، مما يوفر منع ضوضاء التداخل يتراوح من عدة ديسيبل إلى 30 ديسيبل، بمتوسط يصل إلى 15 ديسيبل.
بالنسبة لإشارات الاتصال، وفقًا للمعادلة (3)، فإن السعة AL0 للإشارة المستحثة على خط نقل الاتصالات L0 هي دالة لموضع الهوائي x. عندما يكون مركز ملف الإرسال بمحاذاة أي نقطة تقاطع على L0، AL0=0، مما يؤدي إلى منطقة ميتة في القناة. لتجنب هذا الموقف، يتم ترتيب زوج إضافي من خطوط نقل الاتصالات، L1، داخل كابل التشفير، مع إزاحة نقاط تقاطعها عن نقاط L0، كما هو موضح في الشكل 3. دع d0 وd1 يمثلان المسافات التي يتم من خلالها إزاحة الموضع x لملف الإرسال من الخطوط المركزية لخطوط النقل L0 وL1، على التوالي؛ ثم ص=د0 + d1. دع eL0 يمثل الإشارة الناتجة عن خط النقل L0، وeL1 يمثل الإشارة الناتجة عن خط النقل L1. في المعدات الإلكترونية لغرفة التحكم، يتم جمع الإشارة e'L1-والتي يتم إزاحتها eL1 بمقدار 90 درجة - مع eL0 للحصول على الإشارة المركبة e. ووفقا للمعادلة (2) لدينا:
عند هذه النقطة، يكون هوائي الإرسال في أسوأ وضع ممكن. يظهر الرسم البياني المتجه لـ e في الشكل 4.
يشير التحليل أعلاه إلى أن مستقبل خط -الإرسال-المزدوج المتقاطع الموضح في الشكل 3 فعال للغاية في منع ضوضاء التداخل. بالنسبة لإشارات الاتصال، يوجد توهين قدره 3 ديسيبل عندما يكون هوائي الإرسال في أسوأ موضع-.
3.3 تحليل قمع التداخل بواسطة هوائي الاستقبال
بالنسبة لضوضاء التداخل، تتكون هوائيات الاستقبال التقليدية من ملفات مفردة بدون -اقتران متقاطع وتفتقر إلى مقاومة التداخل. ومع ذلك، يتميز هوائي الاستقبال الموضح في الشكل 3 بملفي الاستقبال 1 و2 المتقاطعين. أثناء التشغيل في الميدان، تكون القوى الدافعة الكهربائية لضوضاء التداخل eN1 وeN2 المستحثة في الملفين خارج الطور. إذا كانت الموجات الكهرومغناطيسية للضوضاء موزعة بشكل موحد داخل منطقة صغيرة بقدرة 2 وات على طول الاتجاه x- لهوائي الاستقبال، فإن eN1=−eN2، والقوة الدافعة الكهربائية للضوضاء المستخرجة بواسطة هوائي الاستقبال، eN، هي eN1 + eN2=0.
بالنسبة لإشارات الاتصالات، يتم تضخيم الإشارة المعدلة f₀ التي سيتم إرسالها بواسطة غرفة التحكم المركزية وإرسالها عبر خط النقل L₀؛ يتم تضخيم الإشارة f₁ (التي تكون خارج الطور بمقدار 90 درجة مع f₀) وإرسالها عبر خط النقل L₁. تولد هاتان الإشارتان مجالًا كهرومغناطيسيًا مشتركًا في المساحة القريبة من كابل التشفير، والذي يتم اكتشافه واستقباله بواسطة هوائي الاستقبال الموجود بالقرب من كابل التشفير. وبما أن f₀ وf₁ متعامدتان، يتم تجنب المناطق الميتة في القناة. يتم وصف الإشارات المستحثة المتولدة في هوائي الاستقبال التقليدي بالمعادلة (6). كما هو مبين في الشكل 3، يولد هوائي الاستقبال قوى دافعة كهربائية مستحثة e(1) وe(2) في ملفي الاستقبال 1 و2، على التوالي. نظرًا لخصائص التقاطع على مسافة متساوية، يلبي هوائي الاستقبال ما يلي في أي موضع:
(1) د0(1)=د0(2)، د1(1)=د1(2)؛ ووفقا للمعادلة (6)، فإن حجم e(1) وe(2) متساويان؛
(2) إذا كان المجال الكهرومغناطيسي المتولد في المنطقة K من خط النقل Li (i=0, 1) يهيمن على ملف الاستقبال 1، فإن المجال الكهرومغناطيسي المتولد في المنطقة K+1 يهيمن على ملف الاستقبال 2. بسبب تقاطع خطوط النقل، فإن المجال الكهرومغناطيسي المتولد في المنطقة K+1 خارج الطور مع ذلك المتولد في المنطقة K. بما أن ملف الاستقبال 2 يتقاطع مع ملف الاستقبال 1، بعد انقلابات مرحلتين، فإن تصبح مراحل e(1) وe(2) هي نفسها.
ولذلك، فإن القوة الدافعة الكهربية المستحثة e=e(1) + e(2)=2e(1) المستخرجة بواسطة هوائي الاستقبال من إشارة الاتصال تبلغ ضعف قوة هوائي الاستقبال التقليدي.
بالإضافة إلى ذلك، عندما يرسل ملف الإرسال إشارة، يكون الجهد عبر طرفي ملف الإرسال 200 Vp-p. لمنع الإشارة المرسلة القوية من إتلاف دائرة المضخم الأولي لجهاز الاستقبال، يتم وضع ملف الإرسال بين ملفي هوائي الاستقبال. بهذه الطريقة، تكون القوة الدافعة الكهربائية المستحثة في هوائي الاستقبال بواسطة إشارة هوائي الإرسال صفرًا تقريبًا.
3.4 التحليل التجريبي لقمع تداخل هوائي الاستقبال
وكانت الظروف التجريبية كالآتي: كان الطول الإجمالي لخط النقل 3 م، وعرض=20 مم. تم استخدام مجموعة من معدات اتصالات البيانات اللاسلكية الحثية الفعلية، بمعدل اتصال 4800 b/s، وتشكيل FSK، وتردد حامل قدره 49 كيلو هرتز. أثناء التشغيل العادي، كان تيار الذروة للإشارة المعدلة التي تمر عبر L0 هو 0.07 أمبير؛ كان تيار الذروة للإشارة المعدلة التي تمر عبر ملف هوائي الإرسال هو 0.38 أمبير.
أثناء التجربة، تم الحفاظ على المسافة z بين ملف الإرسال والكابل المشفر عند 200 مم، وتم الحفاظ على مركز ملف الإرسال محاذيًا لتقاطع واحد L0. في ظل هذه الظروف، تم قياس سعة جهد الإشارة المستحثة على خط النقل L1 لتكون VL1=25 mVp-p، وتم قياس سعة جهد الإشارة المستحثة على هوائي الاستقبال لتكون VA=20 mVp-p.
إذا تم استخدام مولد إشارة كمصدر للتداخل وتم استخدام زوج من الأسلاك المتوازية للاقتران للحث على التداخل، انظر الشكل 5. يقوم مولد الإشارة بإخراج جهد تداخل v=Vm sin(2πft)، حيث f=49 كيلو هرتز و R=130 Ω.
تتوافق التجربة الموضحة في الشكل 5 (أ) مع التداخل في هوائي الاستقبال التقليدي، بينما تتوافق التجربة الموضحة في الشكل 5 (ب) مع التداخل في الملفات المتقاطعة لهوائي الاستقبال. دع VNm (الذروة - إلى - الذروة) تشير إلى التداخل - القوة الدافعة الكهربائية المستخرجة من هوائي الاستقبال. يعرض الجدول 1 البيانات الخاصة بكلتا التجربتين.
تظهر النتائج التجريبية أن النظام يحقق قمعًا لضوضاء التداخل يصل إلى 48 ديسيبل. توضح التحليلات النظرية والتجريبية الموضحة أعلاه أن استخدام هوائيات الاستقبال المتقاطعة على مسافة متساوية لا يوفر قمعًا قويًا لضوضاء التداخل فحسب، بل يوفر أيضًا كسبًا قدره 6 ديسيبل في إشارات الاتصال مقارنة بهوائيات الاستقبال التقليدية، وبالتالي تحسين نسبة الإشارة -إلى-الضوضاء بشكل ملحوظ.
4 الاستنتاج
تم تطبيق تقنية منع التداخل التي تتضمن "عبور خطوط نقل مزدوجة بهوائي استقبال واحد على مسافات متساوية" في نظام إدارة التحكم المركزي المعتمد على الكمبيوتر-للقاطرات المتنقلة باستخدام التكنولوجيا اللاسلكية الاستقرائية. في التطبيقات العملية، أثبتت هذه التقنية فعاليتها في منع التداخل في البيئات الصناعية، وخاصة في منع تداخل القنوات المشتركة -بشكل فعال الناتج عن أجهزة التحكم في سرعة التردد المتغيرة-، وبالتالي ضمان موثوقية اتصالات البيانات. وبطبيعة الحال، فإن تقنية منع التداخل لاتصالات البيانات اللاسلكية الاستقرائية المقترحة في هذه الورقة تتناول فقط منع الضوضاء عند الطرف المتلقي. بالنسبة للمعدات الإلكترونية التي تعمل في البيئات الصناعية القاسية، يجب تنفيذ تدابير إضافية مثل التأريض والحماية؛ هذه هي خارج نطاق هذه الورقة.