1 引言
工業自動化中，對于移動機車和中央控制室之間的數據通信" title="通信">通信，有線" title="有線">有線通信方式由于拖帶通信電纜使用不方便；無線通信方式由于工業現場環境惡劣造成誤碼率高。感應無線數據通信（Data Transmission by Induction Radio）[1]，利用編碼電纜（又稱誘導母線）與感應天線之間的電磁感應交換信息，因為有且僅有5－20cm的無線通信距離，所以既能保證機車移動的靈活性又確保了通信質量的可靠性，并且能在通信過程中同步檢測移動機車的位置[2]。
工業現場電氣設備，尤其是移動機車上的變頻調速裝置，能產生強烈的且與感應無線數據通信載波頻率相同或相近的諧波，這種同頻干擾噪聲，無法用帶通濾波器衰減，如果不在輸入端采取有效措施進行抑制" title="抑制">抑制，就會使得感應無線數據通信的誤碼率大大提高，甚至不能正常工作。寶鋼一期焦爐三電改造應用的是日本進口設備，實際工作中，“存在誘導母線通信經常中斷現象，分析原因為隨機強干擾和天線檢測失真[3]”。因此，使得感應無線技術在一些實際應用中放棄了感應無線數據通信而僅采用感應無線位置檢測技術。
為了在感應無線數據通信中抑制干擾，同行專家學者做了許多有益的研究。文獻[4]提出感應無線差分式接收天線裝置；文獻[5]提出雙接收天線單傳輸線的方法。本文給出的“雙傳輸線與單接收天線同間距交叉”的感應無線數據通信同頻干擾抑制技術[6]，能有效抑制同頻干擾噪聲，提高信噪比，并且適合于地面位置檢測。
2 感應無線數據通信基本原理
為了分析在感應無線數據通信中同頻干擾抑制技術提高信噪比的原理，先對感應無線數據通信的基本原理作簡要分析介紹。
2.1 編碼電纜與感應天線
編碼電纜的外形為扁平狀態，內部有若干對傳輸線，按照一定的編碼規規則在不同的位置交叉。編碼電纜沿著移動機車軌道安裝，始端連接到中控室。
感應天線包含兩組線圈，一組作為發送天線，一組作為接收天線，封裝在塑料箱內，俗稱為天線箱。天線箱安裝在移動機車上，與機車上的控制柜連接。天線箱隨著機車一起移動，并始終與編碼電纜保持5－20cm的距離。見圖1。
當天線箱與編碼電纜靠近時，編碼電纜中每一對傳輸線與天線箱中的線圈相互感應，于是天線箱與編碼電纜之間形成了一個短距離的無線通信信道。
2.2 感應信號的幅度與相位分析
圖2是傳輸線L與天線線圈平鋪示意圖，圖2中天線寬度與編碼電纜中通信傳輸線兩交叉間距相等都為W，W＝2r。
定義：以天線線圈中心點為天線線圈位置；傳輸線L兩交叉間的區域稱為傳輸線L的K區域（K＝Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，…），天線線圈位置x偏離x所在K區域中心線距離為d。
以天線線圈作為發送線圈，對通信傳輸線產生的感應電動勢e進行分析。根據電磁感應理論，當天線線圈中通過電流i＝Imsinωt時，傳輸線產生的感應電動勢e＝di/dt，此處，互感系數M是天線線圈位置（x，y，z）的函數，假定天線線圈沿x方向移動時y，z不變，則：
e＝f（x）ωImcosωt
由于有一個交叉，傳輸線I區域產生的感應電動勢eI與Ⅱ區域產生的感應電動勢eⅡ相位相反。若以eI的相位作為標準，令
:,則當n為偶數時，傳輸線產生的感應電動勢e與eI相位相同；n為奇數時，e與eI相位相反，則相位系數為（－1）n。
當發送線圈與編碼電纜之間距離z較小時，近似任務發送線圈產生的磁力線沿x方向均勻分布且垂直穿過傳輸線，因此，傳輸線產生的感應電動勢e的幅度A與傳輸線有感應面積成正比，比圖2所示，天線線圈1位置d＝0，有效感應面積S＝W×B為最大，A＝Amax。天線線圈3位置d＝r，有效感應面積S＝0，A＝0。天線線圈2位置，有效感應面積S＝（W－2d）×B。得到：
?
反過來，若在通信傳輸線中通過電流，以天線線圈作為接收線圈，根據互感原理，式（1）－（3）仍然成立。
3 干擾噪聲抑制技術
為了抑制干擾，特別是抑制同頻干擾噪聲，最為有效的辦法是在接收端不讓干擾噪聲侵入。因此，設計思想是：對中控室的接收端——編碼電纜通信傳輸線和車上接收端——接收天線采取合理設計，衰減干擾噪聲，而盡量少衰減、不衰減、甚至增強通信信號，達到提高信噪比的目的。
3.1 雙傳輸線與單接收天線同間距交叉設計
“雙傳輸線與單接收天線同間距交叉”的設計，在編碼電纜中安排兩對交叉的通信傳輸線L0，L1；采用一個發送天線，一個接收天線，接收天線由導線按交叉方式多匝繞制，故可以看成有接收線圈1和接收線圈2。傳輸線交叉間距、接收天線交叉間距、發送線圈寬度均為W。如圖3所示。
?
圖3（a）是實際結構及工作示意圖。圖3（b）是為了分析方便，所做的傳輸線L0，L1，發送天線、接收天線平鋪示意圖，實際應用中取W＝20cm。
3.2 傳輸線接收干擾抑制分析
當機車上在發送天線中加入信號電流時，中控室從通信傳輸線上接收信號，為了抑制干擾噪聲，將通信傳輸線L0每隔一定的距離W交叉一次，從遠距離看這是一對雙絞線，其抑制干擾噪聲的作用可達幾個dB至30dB，平均為15dB之多[7]。
對于通信信號，根據式（3），通信傳輸線L0上感應信號幅度AL0是天線位置x的函數，當發送線圈中心對準L0上任何一個交叉點時，AL0＝0，出現信道死區。為了避免這種情況，在編碼電纜中安排另外一對通信傳輸線L1，其交叉點與L0錯開，見圖3。令d0，d1分別表示發送線圈位置x偏移x所在L0傳輸線、L1傳輸線的區域中心線的距離，則有r＝d0＋d1。令eL0代表傳輸線L0感應的信號，eL1代表傳輸線L1感應的信號，在中控室電子設備中，將eL1移相90°后的信號e'L1和eL0求和，得到合成信號e。根據式（2）得：
?
合成信號e的幅度A對d0求導
，求得當d0＝d1＝r/2時有最小值
，此時，發送天線處于最不利的位置。e的矢量圖見圖4。
以上分析表明，采用圖3所示交叉的雙傳輸線接收，具有較強的抑制干擾噪聲的作用。對于通信信號，當發送天線處于最不利位置時，有3dB的衰減。
3.3 接收天線接收時干擾抑制分析
對于干擾噪聲，傳統的接收天線是沒有交叉的單線圈，沒有抗干擾能力，圖3所示的接收天線由于接收線圈1與接收線圈2交叉，在現場工作時，兩個線圈所感應的干擾噪聲電動勢eN1，eN2，相位相反。若在接收天線沿x方向的2W小范圍內，噪聲電磁波均勻分布，那么，eN1＝－eN2，接收天線提取的噪聲電動勢eN＝eN1＋eN2＝0。
對于通信信號，中控室要發送的調制信號f0經功率放大后，從傳輸線L0發出；f0移相90°的信號f1經功率放大后從傳輸線L1發出，這兩路信號在編碼電纜附近空間產生電磁場合成，被靠近編碼電纜的接收天線感應接收，由于f0與f1正交，避免了信道死區。傳統的接收天線中產生的感應信號如式（6）所描述，圖3所示的接收天線，在接收線圈1與接收線圈2產生感應電動勢e(1)，e(2)。由于同間距交叉的特性，接收天線在任何位置都有：
?(1)d0(1)＝d0(2)，d1(1)＝d1(2)，根據式（6），e(1)，e(2)的幅度相等；
(2)若傳輸線Li（i＝0，1）的K區域產生的電磁場對接收線圈1起主導作用，則K＋1區域產生的電磁場對接收線圈2起主導作用，由于傳輸線交叉，K＋1區域產生的電磁場與K區域產生的電磁場相位相反，接收線圈2與接收線圈1恩交叉，經過兩次反相，e（1），e（2）的相位相同。
因此，接收天線對通信信號提取的感應電動勢e＝e(1)+e(2)＝2e(1)，是傳統的接收天線的2倍。
另外，發送線圈在發送信號時，發送線圈兩端的電壓均為200Vp－p，為了防止接受線圈感應到發送的強信號損壞接收前置放大電路，發送線圈放置在接收天線兩線圈中間，這樣，接收天線感應到發送天線信號的電動勢約等于零。
3.4 接收天線干擾抑制實驗分析
實驗條件為：傳輸線總長為3m，W＝20mm。用一組實際感應無線數據通信設備，通信速率為4800b/s，調制方式為FSK，載波頻率為49KHz，正常工作時，在L0中通過的調制信號電流峰值為0.07A；發送天線線圈中通過的調制信號電流峰值為0.38A。
實驗時，保持發送線圈與編碼電纜之間距離z＝200mm，保持發送線圈中心對準L0一個交叉不動。在這種情況下，測得傳輸線L1上感應信號電壓幅度VL1＝25mVP－P接收天線上感應信號電壓幅度VA＝20mVP－P。
若采用信號發生器作為干擾源，采用一對平行導線耦合進行干擾，見圖5。信號發生器輸出干擾電壓v＝Vmsin2πft，f＝49KHz，R＝130Ω。
圖5（a）所示實驗，相當于傳統接收天線受干擾，圖5（b）所示實驗，是接收天線交叉線圈受干擾的情況，設接收天線中提取的干擾感應電動勢為VNm（峰－峰值）。表1給出兩種實驗的數據。
實驗結果表明，其抑制干擾噪聲的作用達到48dB之多。
以上從理論和實驗分析表明，采用同間距交叉的接收天線，不但具有較強的抑制干擾噪聲的作用，而且相對傳統接收天線，通信信號也有6dB的增益，大大提高了信噪比。
4 結語
“雙傳輸線與單接收天線同間距交叉”的干擾抑制技術已經應用在感應無線技術構成的移動機車計算機集中控制管理系統，并在萊蕪鋼鐵公司焦化廠等多個工業現場實際使用，實際應用中確實能夠抑制工業現場干擾，特別是能夠有效地抑制變頻調速裝置產生的同頻干擾，保證了數據通信的可靠性。當然，本文提出的感應無線數據通信干擾抑制技術，只是在接收端對干擾噪聲抑制，在環境惡劣的工業現場工作的電子設備，還必須采取諸如接地、屏蔽等措施，不在本文討論的范圍。