1 Pendahuluan
Dalam otomasi industri, metode komunikasi kabel untuk transmisi data antara kendaraan bergerak dan ruang kendali pusat tidak nyaman karena perlunya menyeret kabel komunikasi; metode komunikasi nirkabel, di sisi lain, mengalami tingkat kesalahan yang tinggi karena kondisi lingkungan industri yang keras. Komunikasi data nirkabel berbasis induksi-(Transmisi Data melalui Radio Induksi) menggunakan induksi elektromagnetik antara kabel berkode (juga dikenal sebagai bus induksi) dan antena induksi untuk bertukar informasi. Karena jangkauan komunikasi nirkabel dibatasi hanya pada 5–20 cm, metode ini memastikan fleksibilitas pergerakan lokomotif dan keandalan kualitas komunikasi, sekaligus memungkinkan pelacakan posisi lokomotif yang bergerak secara real-time selama komunikasi.
Peralatan listrik di lingkungan industri, khususnya-perangkat kontrol kecepatan frekuensi variabel pada lokomotif yang bergerak, dapat menghasilkan harmonik kuat yang identik atau serupa dengan frekuensi pembawa komunikasi data nirkabel induktif. Interferensi frekuensi bersama ini tidak dapat dilemahkan dengan filter bandpass. Jika langkah-langkah efektif tidak diambil pada input untuk menekannya, tingkat kesalahan komunikasi data nirkabel induktif akan meningkat secara signifikan, yang berpotensi menyebabkan sistem tidak dapat dioperasikan. Retrofit sistem kelistrikan oven kokas Tahap I di Baosteel menggunakan peralatan yang diimpor dari Jepang. Dalam pengoperasian sebenarnya, "interupsi yang sering terjadi pada komunikasi busbar induksi diamati, dengan analisis menghubungkan penyebabnya dengan interferensi kuat yang acak dan distorsi deteksi antena." Akibatnya, dalam beberapa aplikasi praktis, teknologi nirkabel induktif telah ditinggalkan untuk komunikasi data, dan hanya teknologi deteksi posisi nirkabel induktif yang diadopsi.
Untuk menekan interferensi dalam komunikasi data nirkabel induktif, para ahli dan cendekiawan di bidangnya telah melakukan penelitian ekstensif. Satu studi mengusulkan konfigurasi antena penerima diferensial nirkabel induktif, sementara studi lain menyarankan metode menggunakan antena penerima ganda dengan saluran transmisi tunggal. Teknik penindasan interferensi saluran bersama "melintasi saluran transmisi ganda dengan antena penerima tunggal pada jarak yang sama" untuk komunikasi data nirkabel induktif yang disajikan dalam makalah ini dapat secara efektif menekan kebisingan interferensi saluran bersama, meningkatkan rasio sinyal-terhadap-kebisingan, dan cocok untuk deteksi posisi berbasis tanah.
2 Prinsip Dasar Komunikasi Data Nirkabel Induktif
Untuk menganalisis prinsip teknologi penindasan interferensi saluran bersama meningkatkan rasio sinyal-terhadap-noise dalam komunikasi data nirkabel induktif, pertama-tama kami memberikan analisis singkat dan pengenalan prinsip dasar komunikasi data nirkabel induktif.
2.1 Kabel Berkode dan Antena Induktif
Kabel yang dikodekan berbentuk datar dan berisi beberapa pasang saluran transmisi yang bersilangan pada titik-titik tertentu sesuai dengan skema pengkodean yang ditentukan. Kabel berkode dipasang di sepanjang rel lokomotif bergerak, dengan salah satu ujungnya terhubung ke ruang kendali pusat.
Antena induksi terdiri dari dua set kumparan-satu berfungsi sebagai antena pemancar dan satu lagi sebagai antena penerima-terbungkus dalam kotak plastik, yang biasa disebut kotak antena. Kotak antena dipasang pada lokomotif yang bergerak dan dihubungkan dengan kabinet kendali lokomotif. Kotak antena bergerak bersama lokomotif dan menjaga jarak 5–20 cm dari kabel berkode setiap saat. Lihat Gambar 1.
Bila kotak antena diposisikan dekat dengan kabel yang dikodekan, setiap pasang saluran transmisi di kabel yang dikodekan akan menginduksi respons pada kumparan di dalam kotak antena, sehingga membentuk saluran komunikasi nirkabel jarak pendek antara kotak antena dan kabel yang dikodekan.
2.2 Analisis Amplitudo dan Fase Sinyal Induksi
Gambar 2 menunjukkan diagram skema saluran transmisi L yang diletakkan rata di samping kumparan antena. Pada Gambar 2, lebar antena dan jarak antara dua saluran transmisi yang berpotongan pada kabel yang dikodekan keduanya sama dengan W, di mana W=2r.
Definisi: Titik tengah kumparan antena didefinisikan sebagai posisi kumparan antena; daerah antara dua perpotongan saluran transmisi L disebut sebagai daerah K saluran transmisi L (K=I, II, III, …), dan jarak d menyatakan deviasi posisi kumparan antena x dari garis tengah daerah yang bersangkutan K.
Dengan menggunakan kumparan antena sebagai kumparan transmisi, kami menganalisis gaya gerak listrik induksi yang dihasilkan pada saluran transmisi komunikasi. Menurut teori induksi elektromagnetik, ketika arus i=Imsinωt mengalir melalui kumparan antena, ggl induksi e pada saluran transmisi adalah e=di/dt. Di sini, koefisien induktansi timbal balik M adalah fungsi dari posisi kumparan antena (x, y, z). Dengan asumsi bahwa y dan z tetap konstan ketika kumparan antena bergerak sepanjang arah x-, maka:
e=f(x)ωImcosωt
Karena terdapat persimpangan, maka ggl induksi eI yang dihasilkan di wilayah I saluran transmisi keluar fasa dengan ggl induksi eII yang dihasilkan di wilayah II. Jika kita mengambil fase eI sebagai acuan, misalkan
Ketika n genap, ggl induksi e pada saluran transmisi sefasa dengan eI; ketika n ganjil, e keluar fasa dengan eI, dan koefisien fasanya adalah (–1)n.
Ketika jarak z antara kumparan transmisi dan kabel yang dikodekan kecil, garis fluks magnet yang dihasilkan oleh kumparan transmisi dapat diperkirakan terdistribusi secara merata sepanjang arah x-dan melewati saluran transmisi secara tegak lurus. Oleh karena itu, besarnya A gaya gerak listrik induksi e yang dihasilkan pada saluran transmisi sebanding dengan luas induksi efektif saluran transmisi. Seperti terlihat pada Gambar 2, ketika kumparan antena berada pada posisi 1 (d=0), area induksi efektif S=W × B berada pada maksimum, dan A=Amax. Pada posisi d=r kumparan antena 3, luas induksi efektif S=0, dan A=0. Pada posisi kumparan antena 2, luas induksi efektif S=(W – 2d) × B. Diperoleh:
Sebaliknya, jika arus dilewatkan melalui jalur transmisi komunikasi dan kumparan antena digunakan sebagai kumparan penerima, Persamaan (1) sampai (3) tetap berlaku berdasarkan prinsip induktansi timbal balik.
3 Teknik Peredam Kebisingan Interferensi
Untuk menekan interferensi, khususnya derau interferensi saluran bersama, pendekatan yang paling efektif adalah dengan mencegah derau interferensi memasuki pihak penerima. Oleh karena itu, filosofi desainnya adalah sebagai berikut: dengan menerapkan desain yang masuk akal untuk ujung penerima di ruang kontrol-jalur transmisi komunikasi kabel yang dikodekan-dan ujung penerima pada kendaraan-antena penerima-kebisingan interferensi dilemahkan sementara sinyal komunikasi dilemahkan sesedikit mungkin, tidak dilemahkan sama sekali, atau bahkan diperkuat, sehingga mencapai tujuan untuk meningkatkan rasio sinyal-terhadap-kebisingan.
3.1 Desain Dua Saluran Transmisi yang Melintasi Satu Antena Penerima dengan Jarak yang Sama
Dalam "desain dua jalur transmisi yang melintasi antena penerima tunggal pada jarak yang sama", dua pasang jalur transmisi komunikasi bersilangan, L0 dan L1, disusun dalam kabel yang dikodekan. Antena pemancar tunggal dan antena penerima tunggal digunakan; antena penerima dibentuk oleh penghantar yang dililitkan dalam pola bersilangan pada beberapa putaran, dan oleh karena itu dapat dianggap terdiri dari kumparan penerima 1 dan kumparan penerima 2. Jarak antara saluran transmisi yang bersilangan, jarak antara antena penerima yang bersilangan, dan lebar kumparan pemancar semuanya W. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3(a) menunjukkan struktur aktual dan diagram skema operasi. Gambar 3(b) adalah diagram skema yang disederhanakan dari saluran transmisi L0 dan L1, antena pemancar, dan antena penerima, ditata datar untuk memudahkan analisis; dalam penerapan sebenarnya, W=20 cm.
3.2 Analisis Penekanan Interferensi Saluran Transmisi
Ketika arus sinyal dialirkan ke antena pemancar di lokomotif, pusat kendali menerima sinyal melalui jalur transmisi komunikasi. Untuk menekan derau interferensi, saluran transmisi L0 dilintasi dengan interval W yang teratur. Dari kejauhan, kabel ini tampak seperti kabel berpasangan yang terpilin, memberikan peredam derau interferensi yang berkisar antara beberapa dB hingga 30 dB, dengan rata-rata sebanyak 15 dB.
Untuk sinyal komunikasi, menurut Persamaan (3), amplitudo AL0 sinyal induksi pada saluran transmisi komunikasi L0 merupakan fungsi dari posisi antena x. Ketika pusat kumparan transmisi sejajar dengan titik persimpangan pada L0, AL0=0, menghasilkan zona mati saluran. Untuk menghindari situasi ini, sepasang jalur transmisi komunikasi tambahan, L1, disusun di dalam kabel pengkodean, dengan titik perpotongannya diimbangi dari L0, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Misalkan d0 dan d1 mewakili jarak di mana posisi x kumparan transmisi diimbangi masing-masing dari garis tengah saluran transmisi L0 dan L1; lalu, r=d0 + d1. Misalkan eL0 mewakili sinyal yang diinduksi oleh saluran transmisi L0, dan eL1 mewakili sinyal yang diinduksi oleh saluran transmisi L1. Pada peralatan elektronik ruang kendali, sinyal e'L1-yaitu eL1 yang digeser 90 derajat -dijumlahkan dengan eL0 sehingga diperoleh sinyal komposit e. Menurut Persamaan (2), kita mempunyai:
Pada titik ini, antena pemancar berada pada posisi terburuk. Diagram vektor e ditunjukkan pada Gambar 4.
Analisis di atas menunjukkan bahwa penerima-saluran transmisi-ganda yang ditunjukkan pada Gambar 3 sangat efektif dalam menekan kebisingan interferensi. Untuk sinyal komunikasi, terdapat redaman sebesar 3 dB ketika antena pemancar berada pada posisi-kasus terburuk.
3.3 Analisis Penekanan Interferensi oleh Antena Penerima
Untuk gangguan kebisingan, antena penerima tradisional terdiri dari kumparan tunggal tanpa{0}}penggandengan silang dan tidak memiliki ketahanan terhadap gangguan. Antena penerima yang ditunjukkan pada Gambar 3, bagaimanapun, memiliki fitur kumparan penerima 1 dan 2 yang bersilangan. Selama pengoperasian di lapangan, gangguan gaya gerak listrik eN1 dan eN2 yang diinduksi pada kedua kumparan berada di luar fasa. Jika gelombang elektromagnetik derau terdistribusi secara merata dalam area kecil 2W sepanjang arah x-antena penerima, maka eN1=−eN2, dan gaya gerak listrik derau yang diekstraksi oleh antena penerima, eN, adalah eN1 + eN2=0.
Untuk sinyal komunikasi, sinyal termodulasi f₀ yang akan ditransmisikan oleh ruang kendali pusat diperkuat dan ditransmisikan melalui saluran transmisi L₀; sinyal f₁ (yang berbeda fase 90 derajat dengan f₀) diperkuat dan ditransmisikan melalui saluran transmisi L₁. Kedua sinyal ini menghasilkan gabungan medan elektromagnetik di ruang dekat kabel pengkodean, yang dideteksi dan diterima oleh antena penerima yang terletak di dekat kabel pengkodean. Karena f₀ dan f₁ ortogonal, zona mati saluran dapat dihindari. Sinyal induksi yang dihasilkan dalam antena penerima tradisional dijelaskan oleh Persamaan (6). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, antena penerima menghasilkan gaya gerak listrik induksi e(1) dan e(2) masing-masing pada kumparan penerima 1 dan 2. Karena karakteristik persilangan yang berjarak sama, antena penerima memenuhi hal-hal berikut di posisi mana pun:
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); menurut Persamaan (6), besaran e(1) dan e(2) adalah sama;
(2) Jika medan elektromagnetik yang dihasilkan di wilayah K saluran transmisi Li (i=0, 1) mendominasi kumparan penerima 1, maka medan elektromagnetik yang dihasilkan di wilayah K+1 mendominasi kumparan penerima 2. Akibat perpotongan saluran transmisi, medan elektromagnetik yang dihasilkan di wilayah K+1 tidak sefasa dengan yang dihasilkan di wilayah K. Karena kumparan penerima 2 disilangkan dengan kumparan penerima 1, setelah inversi dua fasa, fasa e(1) dan e(2) menjadi sama.
Oleh karena itu, gaya gerak listrik induksi e=e(1) + e(2)=2e(1) yang diekstraksi oleh antena penerima dari sinyal komunikasi adalah dua kali lipat dari antena penerima konvensional.
Selain itu, ketika kumparan pemancar mengirimkan sinyal, tegangan di kedua ujung kumparan pemancar adalah 200 Vp-p. Untuk mencegah kuatnya sinyal yang ditransmisikan merusak rangkaian preamplifier penerima, kumparan pemancar ditempatkan di antara dua kumparan antena penerima. Dengan cara ini, gaya gerak listrik yang diinduksi pada antena penerima oleh sinyal antena pemancar kira-kira nol.
3.4 Analisis Eksperimental Penekanan Interferensi Antena Penerima
Kondisi percobaannya adalah sebagai berikut: panjang total saluran transmisi adalah 3 m, dan W=20 mm. Satu set peralatan komunikasi data nirkabel induktif aktual digunakan, dengan kecepatan komunikasi 4800 b/s, modulasi FSK, dan frekuensi pembawa 49 kHz. Selama operasi normal, arus puncak sinyal termodulasi yang melewati L0 adalah 0,07 A; arus puncak sinyal termodulasi yang melewati kumparan antena pemancar adalah 0,38 A.
Selama percobaan, jarak z antara kumparan transmisi dan kabel yang dikodekan dipertahankan pada 200 mm, dan pusat kumparan transmisi dijaga sejajar dengan satu persilangan L0. Dalam kondisi ini, amplitudo tegangan sinyal induksi pada saluran transmisi L1 diukur menjadi VL1=25 mVp-p, dan amplitudo tegangan sinyal induksi pada antena penerima diukur menjadi VA=20 mVp-p.
Jika generator sinyal digunakan sebagai sumber interferensi dan sepasang kabel paralel digunakan sebagai kopling untuk menginduksi interferensi, lihat Gambar 5. Generator sinyal mengeluarkan tegangan interferensi v=Vm sin(2πft), dengan f=49 kHz dan R=130 Ω.
Eksperimen yang ditunjukkan pada Gambar 5(a) berhubungan dengan interferensi pada antena penerima konvensional, sedangkan eksperimen yang ditunjukkan pada Gambar 5(b) berhubungan dengan interferensi pada kumparan bersilangan antena penerima. Misalkan VNm (puncak-ke-puncak) menyatakan interferensi-gaya gerak listrik yang diinduksi yang diekstraksi dari antena penerima. Tabel 1 menyajikan data untuk kedua percobaan.
Hasil eksperimen menunjukkan bahwa sistem mencapai penekanan kebisingan interferensi hingga 48 dB. Analisis teoritis dan eksperimental yang disajikan di atas menunjukkan bahwa penggunaan antena penerima bersilang dengan jarak yang sama tidak hanya memberikan peredam kebisingan interferensi yang kuat namun juga menawarkan penguatan sinyal komunikasi sebesar 6 dB dibandingkan dengan antena penerima tradisional, sehingga secara signifikan meningkatkan rasio sinyal-terhadap-kebisingan.
4 Kesimpulan
Teknik penindasan interferensi yang melibatkan "melintasi jalur transmisi ganda dengan antena penerima tunggal pada jarak yang sama" telah diterapkan dalam sistem manajemen kontrol terpusat berbasis komputer-untuk lokomotif bergerak yang memanfaatkan teknologi nirkabel induktif. Dalam penerapan praktisnya, teknik ini telah terbukti efektif dalam menekan interferensi di lingkungan industri, khususnya dalam menekan interferensi saluran bersama yang dihasilkan oleh perangkat kontrol kecepatan frekuensi variabel, sehingga menjamin keandalan komunikasi data. Tentu saja, teknologi penekan interferensi untuk komunikasi data nirkabel induktif yang diusulkan dalam makalah ini hanya mengatasi penekanan kebisingan di sisi penerima. Untuk peralatan elektronik yang beroperasi di lingkungan industri yang keras, tindakan tambahan seperti pengardean dan pelindung harus diterapkan; ini berada di luar cakupan makalah ini.