1 Giriş
Endüstriyel otomasyonda, mobil araçlar ile merkezi kontrol odaları arasında veri iletimi için kablolu iletişim yöntemleri, iletişim kablolarının sürüklenmesi ihtiyacı nedeniyle elverişsizdir; kablosuz iletişim yöntemleri ise endüstriyel ortamların zorlu koşulları nedeniyle yüksek hata oranlarına sahiptir. İndüksiyon-tabanlı kablosuz veri iletişimi (İndüksiyon Radyosu ile Veri İletimi), bilgi alışverişi için kodlanmış bir kablo (indüksiyon veri yolu olarak da bilinir) ile bir indüksiyon anteni arasında elektromanyetik indüksiyonu kullanır. Kablosuz iletişim aralığı kesinlikle 5–20 cm ile sınırlı olduğundan, bu yöntem hem lokomotif hareketinin esnekliğini hem de iletişim kalitesinin güvenilirliğini sağlarken aynı zamanda iletişim sırasında hareket eden lokomotifin konumunun-gerçek zamanlı izlenmesine de olanak tanır.
Endüstriyel ortamlardaki elektrikli ekipmanlar, özellikle de hareketli lokomotiflerdeki değişken{0}frekanslı hız kontrol cihazları, endüktif kablosuz veri iletişiminin taşıyıcı frekansıyla aynı veya ona benzer güçlü harmonikler üretebilir. Bu ortak-frekans girişimi, bant geçiren filtreler tarafından zayıflatılamaz. Girişte bunu engellemek için etkili önlemler alınmazsa, endüktif kablosuz veri iletişiminin hata oranı önemli ölçüde artacak ve potansiyel olarak sistemi çalışmaz hale getirecektir. Baosteel'deki Faz I kok fırını elektrik sistemi yenilemesinde Japonya'dan ithal edilen ekipmanlar kullanıldı. Fiili operasyonda, "endüksiyon barası iletişiminde sık sık kesintiler gözlemlendi; analizler, bunun nedenini rastgele güçlü girişime ve anten algılama bozulmasına bağladı." Sonuç olarak, bazı pratik uygulamalarda, veri iletişimi için endüktif kablosuz teknoloji terk edilmiş ve yalnızca endüktif kablosuz konum algılama teknolojisi benimsenmiştir.
Endüktif kablosuz veri iletişimindeki paraziti bastırmak için alandaki uzmanlar ve akademisyenler kapsamlı araştırmalar yürüttüler. Bir çalışma endüktif kablosuz diferansiyel alıcı anten konfigürasyonu önerirken, bir diğeri tek bir iletim hattıyla çift alıcı anten kullanan bir yöntem önerdi. Bu makalede sunulan endüktif kablosuz veri iletişimi için "eşit aralıkta tek bir alıcı antene sahip çapraz çift iletim hatları" ortak-kanal girişimini bastırma tekniği, ortak-kanal girişim gürültüsünü etkili bir şekilde bastırabilir, sinyal-gürültü{- oranını iyileştirebilir ve yer-tabanlı konum tespiti için uygundur.
Endüktif Kablosuz Veri İletişiminin 2 Temel Prensibi
Ortak-kanal girişimi bastırma teknolojisinin, endüktif kablosuz veri iletişiminde sinyal-gürültü- oranını iyileştirme ilkesini analiz etmek için, öncelikle kısa bir analiz sunacağız ve endüktif kablosuz veri iletişiminin temel ilkelerine giriş yapacağız.
2.1 Kodlu Kablo ve Endüktif Anten
Kodlanmış kablonun şekli düzdür ve tanımlanmış bir kodlama şemasına göre belirli noktalardan geçen birkaç çift iletim hattı içerir. Kodlanmış kablo, bir ucu merkezi kontrol odasına bağlı olacak şekilde mobil lokomotifin rayları boyunca döşenir.
İndüksiyon anteni, genellikle anten kutusu olarak adlandırılan plastik bir kutu içine yerleştirilmiş iki set bobinden ({0}}biri verici anteni ve diğeri alıcı anteni olarak hizmet eder- oluşur. Anten kutusu hareketli lokomotifin üzerine monte edilir ve lokomotifin kontrol kabinine bağlanır. Anten kutusu lokomotifle birlikte hareket eder ve kodlu kabloya her zaman 5–20 cm mesafeyi korur. Bkz. Şekil 1.
Anten kutusu kodlanmış kabloya yakın konumlandırıldığında, kodlanmış kablodaki her bir iletim hattı çifti, anten kutusu içindeki bobinlerde bir yanıta neden olur, böylece anten kutusu ile kodlanmış kablo arasında kısa-menzilli bir kablosuz iletişim kanalı oluşturulur.
2.2 İndüklenen Sinyalin Genliği ve Fazının Analizi
Şekil 2, anten bobini boyunca düz bir şekilde döşenen L iletim hattının şematik diyagramını göstermektedir. Şekil 2'de, antenin genişliği ve kodlanmış kabloda kesişen iki iletim hattı arasındaki mesafe W'ye eşittir, burada W=2r.
Tanım: Anten bobininin merkez noktası, anten bobininin konumu olarak tanımlanır; L iletim hattının iki kesişimi arasındaki bölge, L iletim hattının K bölgesi olarak anılır (K=I, II, III, …) ve d mesafesi, anten bobini konumunun x karşılık gelen K bölgesinin merkez hattından sapmasını temsil eder.
Anten bobinini verici bobin olarak kullanarak, iletişim iletim hattında üretilen indüklenen elektromotor kuvveti (e) analiz ediyoruz. Elektromanyetik indüksiyon teorisine göre, anten bobininden bir i=Imsinωt akımı geçtiğinde, iletim hattında indüklenen emf e=di/dt olur. Burada, karşılıklı endüktans katsayısı M, anten bobininin konumunun (x, y, z) bir fonksiyonudur. Anten bobini x-yönü boyunca hareket ederken y ve z'nin sabit kaldığını varsayarsak:
e=f(x)ωImcosωt
Bir bağlantı olduğu için iletim hattının I. bölgesinde üretilen indüklenen emf el, II. bölgede üretilen indüklenen emf el ile faz dışıdır. Eğer eI fazını referans olarak alırsak,
n çift olduğunda, iletim hattında indüklenen emf, el ile aynı fazdadır; n tek olduğunda e, el ile faz dışıdır ve faz katsayısı (–1)n'dir.
Verici bobin ile kodlanmış kablo arasındaki z mesafesi küçük olduğunda, verici bobin tarafından üretilen manyetik akı çizgilerinin, x- yönü boyunca düzgün bir şekilde dağıldığı ve iletim hattından dik olarak geçtiği düşünülebilir. Bu nedenle, iletim hattında üretilen indüklenen elektromotor kuvvetin (e) büyüklüğü A, iletim hattının etkin indüksiyon alanıyla orantılıdır. Şekil 2'de gösterildiği gibi anten bobini 1 (d=0) konumundayken etkin indüksiyon alanı S=W × B maksimumdadır ve A=Amax'tır. Anten bobini 3'ün d=r konumunda, etkin indüksiyon alanı S=0 ve A=0. Anten bobini 2'nin konumunda, etkin indüksiyon alanı S=(W – 2d) × B. Şunu elde ederiz:
Tersine, iletişim iletim hattından bir akım geçerse ve alıcı bobin olarak anten bobini kullanılırsa, karşılıklı endüktans ilkesine dayalı olarak Denklemler (1)'den (3)'e kadar hala geçerlidir.
3 Girişim Gürültüsü Bastırma Teknikleri
Paraziti, özellikle de ortak kanal girişim gürültüsünü bastırmak için en etkili yaklaşım, girişim gürültüsünün alıcı uca girmesini önlemektir. Bu nedenle, tasarım felsefesi şu şekildedir: kontrol odasındaki alıcı uç için makul bir tasarım uygulanarak-kodlu kablolu iletişim iletim hattı-ve araçtaki alıcı uç-alıcı anten-parazit gürültüsü azaltılırken iletişim sinyalleri mümkün olduğunca az zayıflatılır, hiç zayıflatılmaz veya hatta güçlendirilir, böylece sinyali gürültüye-iyileştirme hedefine-ulaşır oran.
3.1 Tek Bir Alıcı Anteni Eşit Aralıkla Kesen İki İletim Hattının Tasarımı
"Eşit aralıklarla tek bir alıcı anteni geçen iki iletim hattının tasarımında", kodlanmış kablonun içinde iki çift çapraz iletişim iletim hattı (Lo ve L1) düzenlenir. Tek bir verici anten ve tek bir alıcı anten kullanılır; alıcı anten, iletkenlerin birden çok tur boyunca çapraz bir düzende sarılmasıyla oluşturulur ve bu nedenle alıcı bobin 1 ve alıcı bobin 2'den oluştuğu kabul edilebilir. Çapraz iletim hatları arasındaki aralık, çapraz alıcı antenler arasındaki aralık ve verici bobinin genişliğinin tümü W'dir. Şekil 3'te gösterildiği gibi.
Şekil 3(a), operasyonun gerçek yapısını ve şematik diyagramını göstermektedir. Şekil 3(b), analiz kolaylığı için düz bir şekilde yerleştirilmiş olan L0 ve L1 iletim hatları, verici anteni ve alıcı anteninin basitleştirilmiş şematik diyagramıdır; gerçek uygulamalarda G=20 cm.
3.2 İletim Hattı Parazit Bastırma Analizi
Lokomotif üzerindeki verici antene sinyal akımı uygulandığında kontrol merkezi sinyali iletişim iletim hatları üzerinden alır. Parazit gürültüsünü bastırmak için iletim hattı L0, W düzenli aralıklarla geçilir. Uzaktan bakıldığında bu, birkaç dB ile 30 dB arasında değişen, ortalama 15 dB'ye kadar parazit gürültüsü bastırma sağlayan bükümlü-çift bir kablo gibi görünür.
İletişim sinyalleri için, Denklem (3)'e göre, iletişim iletim hattında (LO) indüklenen sinyalin genliği (AL0), antenin x konumunun bir fonksiyonudur. Verici bobinin merkezi L0, AL0=0 üzerindeki herhangi bir kesişme noktasıyla hizalandığında kanal ölü bölgesi oluşur. Bu durumu önlemek için, Şekil 3'te gösterildiği gibi, kodlama kablosunun içine, kesişme noktaları L0'ınkinden kaydırılmış şekilde ek bir çift iletişim iletim hattı (L1) yerleştirilir. d0 ve d1'in, verici bobinin x konumunun sırasıyla L0 ve L1 iletim hatlarının merkez çizgilerinden kaydırıldığı mesafeleri temsil etmesine izin verin; o zaman r=d0 + d1. eL0'ın, Lo iletim hattı tarafından indüklenen sinyali temsil ettiğini ve eL1'in, L1 iletim hattı tarafından indüklenen sinyali temsil ettiğini varsayalım. Kontrol odasının elektronik ekipmanında, eL1 sinyali 90 derece kaydırılmış olan e'L1-sinyali eL0 ile toplanır ve bileşik e sinyali elde edilir. Denklem (2)'ye göre elimizde:
Bu noktada verici anten mümkün olan en kötü konumdadır. E'nin vektör diyagramı Şekil 4'te gösterilmektedir.
Yukarıdaki analiz, Şekil 3'te gösterilen çapraz ikili-iletim-hatlı alıcının parazit gürültüsünü bastırmada oldukça etkili olduğunu göstermektedir. İletişim sinyallerinde, iletim anteni en kötü- durum konumunda olduğunda 3 dB'lik bir zayıflama vardır.
3.3 Alıcı Anten Tarafından Parazit Bastırma Analizi
Girişim gürültüsü için, geleneksel alıcı antenler çapraz bağlantı olmayan tek bobinlerden oluşur ve girişim direncine sahip değildir. Bununla birlikte, Şekil 3'te gösterilen alıcı anten, çaprazlanmış alıcı bobinler 1 ve 2'ye sahiptir. Sahada çalışma sırasında, iki bobinde indüklenen girişim gürültüsü elektromotor kuvvetleri eN1 ve eN2 faz dışıdır. Gürültü elektromanyetik dalgaları, alıcı antenin x-yönü boyunca 2W'lık küçük bir alan içinde düzgün bir şekilde dağılmışsa, o zaman eN1=−eN2 ve alıcı anten tarafından çıkarılan gürültü elektromotor kuvveti eN, eN1 + eN2=0. olur.
İletişim sinyalleri için, merkezi kontrol odası tarafından iletilecek olan modüle edilmiş sinyal f₀ güçlendirilir ve L₀ iletim hattı aracılığıyla iletilir; f₁ sinyali (f₀ ile 90 derece faz dışı olan) güçlendirilir ve L₁ iletim hattı aracılığıyla iletilir. Bu iki sinyal, kodlama kablosunun yakınındaki alanda, kodlama kablosunun yakınında bulunan alıcı anten tarafından algılanan ve alınan birleşik bir elektromanyetik alan oluşturur. f₀ ve f₁ dik olduğundan kanal ölü bölgeleri önlenir. Geleneksel bir alıcı antende üretilen indüklenen sinyaller Denklem (6) ile tanımlanmaktadır. Şekil 3'te gösterildiği gibi, alıcı anten, alıcı bobinler 1 ve 2'de sırasıyla e(1) ve e(2) indüklenmiş elektromotor kuvvetleri üretir. Eşit mesafeli geçişin özellikleri nedeniyle, alıcı anten herhangi bir konumda aşağıdaki koşulları karşılar:
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); Denklem (6)'ya göre e(1) ve e(2)'nin büyüklükleri eşittir;
(2) İletim hattı Li'nin (i=0, 1) K bölgesinde üretilen elektromanyetik alan, alma bobini 1'e hakim olursa, bu durumda K+1 bölgesinde üretilen elektromanyetik alan, alma bobini 2'ye hakim olur. İletim hatlarının kesişmesi nedeniyle, K+1 bölgesinde üretilen elektromanyetik alan, K bölgesinde üretilenle faz dışıdır. Alım bobini 2, alma bobini 1 ile çapraz olduğundan, iki faz ters çevrilmesinden sonra, e(1) ve fazları e(2) aynı olur.
Bu nedenle, alıcı anten tarafından iletişim sinyalinden çıkarılan indüklenen elektromotor kuvvet e=e(1) + e(2)=2e(1), geleneksel bir alıcı antenin iki katıdır.
Ek olarak, iletim bobini bir sinyal gönderdiğinde, iletim bobininin her iki ucundaki voltaj 200 Vp-p'dir. İletilen güçlü sinyalin alıcının ön yükseltici devresine zarar vermesini önlemek için iletim bobini, alıcı antenin iki bobini arasına yerleştirilir. Bu şekilde, verici anten sinyali tarafından alıcı antende indüklenen elektromotor kuvvet yaklaşık olarak sıfırdır.
3.4 Alıcı Anten Parazitini Bastırmanın Deneysel Analizi
Deney koşulları şu şekildeydi: iletim hattının toplam uzunluğu 3 m ve W=20 mm idi. 4800 b/s iletişim hızına, FSK modülasyonuna ve 49 kHz taşıyıcı frekansına sahip bir dizi gerçek endüktif kablosuz veri iletişim ekipmanı kullanıldı. Normal çalışma sırasında, L0'dan geçen modüle edilmiş sinyalin tepe akımı 0,07 A idi; verici anten bobininden geçen modüle edilmiş sinyalin tepe akımı 0,38 A idi.
Deney sırasında, verici bobin ile kodlanmış kablo arasındaki z mesafesi 200 mm'de tutuldu ve verici bobinin merkezi, L0'ın bir geçişiyle aynı hizada tutuldu. Bu koşullar altında, L1 iletim hattı üzerinde indüklenen sinyal voltajının genliği VL1=25 mVp-p olarak ölçüldü ve alıcı anten üzerinde indüklenen sinyal voltajının genliği VA=20 mVp-p olarak ölçüldü.
Parazit kaynağı olarak bir sinyal üreteci kullanılıyorsa ve paraziti tetiklemek üzere bağlantı için bir çift paralel kablo kullanılıyorsa, bkz. Şekil 5. Sinyal üreteci, f=49 kHz ve R=130 Ω olan bir v=Vm sin(2πft) parazit voltajı üretir.
Şekil 5(a)'da gösterilen deney, geleneksel bir alıcı antendeki girişime karşılık gelirken, Şekil 5(b)'de gösterilen deney, bir alıcı antenin çapraz bobinlerindeki girişime karşılık gelir. VNm'nin (tepe--dan-tepeye) alıcı antenden çıkarılan girişimin- indüklediği elektromotor kuvvetini gösterdiğini varsayalım. Tablo 1'de her iki deneyin verileri sunulmaktadır.
Deneysel sonuçlar, sistemin 48 dB'e kadar parazit gürültüsü bastırmasını sağladığını göstermektedir. Yukarıda sunulan teorik ve deneysel analizler, eşit mesafeli çapraz alıcı antenlerin kullanımının yalnızca güçlü parazit gürültüsü bastırma sağlamakla kalmayıp aynı zamanda geleneksel alıcı antenlerle karşılaştırıldığında iletişim sinyallerinde 6 dB'lik bir kazanç sunduğunu, dolayısıyla sinyal-gürültü- oranını önemli ölçüde iyileştirdiğini göstermektedir.
4 Sonuç
"Eşit mesafelerde tek bir alıcı antenle ikili iletim hatlarını geçmeyi" içeren parazit bastırma tekniği, endüktif kablosuz teknolojiyi kullanan mobil lokomotifler için bilgisayar tabanlı bir merkezi kontrol yönetim sisteminde uygulanmıştır. Pratik uygulamalarda, bu tekniğin endüstriyel ortamlarda parazitin bastırılmasında, özellikle de değişken-frekans hız kontrol cihazları tarafından oluşturulan ortak-kanal parazitinin etkili bir şekilde bastırılmasında, böylece veri iletişiminin güvenilirliğinin sağlanmasında etkili olduğu kanıtlanmıştır. Elbette, bu yazıda önerilen endüktif kablosuz veri iletişimine yönelik girişim bastırma teknolojisi yalnızca alıcı uçtaki gürültüyü bastırmaya yöneliktir. Zorlu endüstriyel ortamlarda çalışan elektronik ekipmanlar için topraklama ve ekranlama gibi ek önlemlerin uygulanması gerekir; bunlar bu makalenin kapsamı dışındadır.