Магнитные системы передачи информации. Новые решения

Введение

Магнитные системы передачи информации (МСПИ) представляются перспективными в системах контроля доступа и идентификации, смарт-картах, платежных системах, а также при организации каналов телеметрии на промышленных предприятиях и объектах ЖКХ (по существующим стальным конструкциям, трубопроводам), поскольку магнитный канал в меньшей степени подвержен влиянию электромагнитных помех, чем RF-каналы, а также использует квазистатичное магнитное поле, не создающее помех другому оборудованию и обеспечивающее энергетическую конфиденциальность передачи информации.

Кроме того, полевые особенности магнитной связи точно предсказуемы и относительно не зависят от свойств окружающей среды.

Появление новых технологий регистрации магнитных полей, таких как магнитные сенсоры на основе феррит-гранатовых пленок и гигантского магниторезистивного эффекта (ГМР), позволит реализовать новые принципы построения беспроводных помехозащищенных систем передачи цифровой информации и телеметрии.

Немного истории

После открытия в 1840 г. Майклом Фарадеем (Michael Faraday) закона электромагнитной индукции это явление получило широкое применение, главным образом при создании различных электромеханических машин и приборов — начиная от электромагнитных реле и кончая мощными электродвигателями и генераторами.

В 60-е годы прошлого века появились первые устройства передачи информации по магнитному индуктивному каналу. Они нашли применение в качестве автоматических экскурсоводов при организации музейных витрин и при организации передачи информации на портативный наушник в радиостанциях скрытого ношения. Автоматический экскурсовод на принципе магнитной индукции до недавнего времени успешно функционировал в Политехническом музее Москвы. Системы передачи акустической информации отечественного и импортного производства в радиостанциях скрытого ношения до сих пор находят применение.

В этих каналах передачи информации использовалась прямая амплитудная модуляция магнитного потока в сверхнизкочастотном диапазоне 300–5000 Гц, что обуславливало их низкие эксплуатационные характеристики, связанные со значительной потребляемой мощностью и габаритами передающей и приемной катушек.

Новый всплеск интереса к МСПИ произошел в начале 90-х годов XX в. и был связан с бурным развитием технологий радиочастотной идентификации — RFID. Был разработан и принят ряд международных стандартов по RFID-системам, в том числе и ISO/IEC 14443, регламентирующий требования к магнитным транспондерам и считывателям. В результате развития этого стандарта в начале 2000-х годов появилась система NFC (Near Field Communication, «коммуникация ближнего поля»), которая находит все большее применение в смартфонах, платежных терминалах, электронных охранных устройствах. Отличительными особенностями этих магнитоиндуктивных систем является связь на сверх­короткие расстояния (порядка 20 см) и различные виды узкополосной манипуляции (ООК, BPSK) несущей HF-диапазона 13,56 МГц.

Отдельно следует отметить весьма интересную систему LibertyLink, разработанную в 2005 г. американской фирмой Aura Communications Technology, Inc. [1]. Система использует расширенную форму магнитной связи и позволяет обеспечить конфиденциальную беспроводную передачу аудио и цифровых данных на короткие (порядка 1 м) расстояния. Конфиденциальность связи достигается за счет локализации магнитного поля в ограниченном пространстве в комбинации с несущей частотой 204 кГц. В качестве приемопередающих элементов используются цилиндрические катушки индуктивности с ферритовыми сердечниками. В настоящее время компания Aura Communications Technology, Inc. пытается вывести технологию LibertyLink на рынок систем контроля доступа, автомобильных и гаражных охранных систем, беспроводных головных гарнитур.

В открытом доступе материалов, посвященных ферромагнитному каналу передачи информации, крайне мало. Автору статьи удалось найти только одну публикацию по данной теме, представляющую практический интерес [2]. В этой работе предлагается использовать стальную трубу магистрального трубопровода в качестве среды передачи модулированного магнитного потока. При этом эквивалентная магнитоэлектрическая схема системы передачи сводится к трансформатору, первичная обмотка которого нагружена на выходной каскад передатчика, а вторичная — на приемник. В описании к патенту приложены результаты экспериментальной проверки этого метода, полученные на трубе длиной 2,5 м с использованием амплитудной манипуляции несущей частоты 50 МГц. Как указывают авторы патента, передаваемая мощность уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния между передающей и приемной катушками.

Сверхширокополосная связь

Как показывает анализ процессов передачи сигналов по магнитооиндуктивному каналу, ее эффективность определяется тремя факторами:

• производной огибающей или частотой токового сигнала несущей (следствие закона электромагнитной индукции);
• нахождением передатчика в ближнем поле, определяемом как l/2p, где l — длина волны несущей;
• наличием или отсутствием в среде передачи объектов экранирующих магнитных полей, т. е. обладающих высокой магнитной проницаемостью.

При использовании гармонических колебаний с повышением частоты возрастает потребляемая мощность выходного каскада передатчика, снижается добротность передающей катушки и величина размеров ближнего поля. Поэтому возникла идея использовать в качестве несущей сверхширокополосный сигнал (СШП) — короткоимпульсную последовательность высокой скважности, предположительно свободную от указанных недостатков.

Подобные сигналы уже нашли применение в UWB-системах радиосвязи и моноимпульсной радиолокации [3] на короткие, до 10–15 м, расстояния и показали высокую помехозащищенность, отсутствие многолучевого распространения, хорошее проникновение сквозь металлические элементы строительных конструкций.

Этот тип сигналов позволяет создавать передающие каскады с высоким пикфактором (отношение пиковой мощности к средней) и тем самым получить требуемую дальность работы.

Рис. 1. Спектральная и временная характеристика СШП радиоимпульса:
слева — короткий радиоимпульс;
справа — спектр короткого радиоимпульса

Элементы несущей последовательности — короткий радиоимпульс и его спектр — показаны на рис. 1.

Короткий радиоимпульс представляет собой цуг синусоидальных колебаний с колоколо­образной огибающей и описывается следующим выражением:

I(t) = exp(–(t–t02)2 / 2 × t02) × sin(2p × fc × t), (1)

где t0 — характерная длительность огибающей радиоимпульса, fc — центральная частота колебаний. Спектр такого сигнала имеет вид:

S(f) = exp(–2 × (p × (f±fc) × t0) × 2). (2)

Сигнал формируется в два этапа. Сначала в низкочастотном диапазоне формируется импульс огибающей длительностью t0, имеющий гауссовую форму, затем он перемножается с периодическим несущим сигналом с частотой fc. Полученный таким образом сигнал имеет ширину спектра F = 1/t0 и центральную частоту fc.

Из всего многообразия сверхширокополосных сигналов данный вид был выбран исходя из следующих критериев:

• отсутствие в спектре постоянной составляющей, что предотвращает насыщение передающей катушки и снижает потребление передатчика;
• возможность гибкого управления спектром сигнала, изменяя частоту заполнения.

Для исследования магнитных систем передачи информации с использованием технологии СШП несущей были созданы экспериментальные модели МСПИ с открытым и ферромагнитным каналом при скорости передачи информации 10 кбит/с.

Исследование модели МСПИ с открытым каналом

Эта модель реализует взаимодействие приемника и передатчика через квазистатическое магнитное поле и представляет собой импульсный трансформатор с воздушным сердечником, первичной обмоткой которого является индуктивная рамка, а вторичной — ферритовая антенна с плоским сердечником. Как было экспериментально установлено, небольшая, 80×60 мм, рамочная антенна предпочтительнее дипольной, так как в ближней зоне ее магнитное поле значительно превышает магнитное поле дипольной антенны.

В эксперименте рамочная индуктивная антенна нагружалась на формирователь последовательности коротких радиоимпульсов длительностью 2 мкс. Частота заполнения изменялась в диапазоне 2–10 МГц. Уход в более низкий диапазон был признан нецелесообразным из-за снижения скорости передачи при сохранении энергопотребления или, при сохранении скорости передачи, из-за резкого возрастания энергопотребления передатчика. Использование более высокочастотного заполнения приведет к выходу из режима ближнего поля (для 10 МГц размер области ближнего поля составляет примерно 4,4 м) и нарушению принципа работы магнитоиндуктивного канала. Формируемые импульсы имели амплитуду 350 В при токе 2 А.

В процессе проведения экспериментов было установлено, что оптимальная частота заполнения импульса составляет примерно 4 МГц. При этом минимальные нелинейные искажения передаваемого сигнала достигаются при значениях индуктивности передающей рамки 15 мкГн, а приемной катушки — 30 мкГн.

Рис. 2. Зависимость принимаемой амплитуды импульса S от расстояния для открытого магнитного канала

Прием сигналов осуществлялся широкополосным приемником с высоким входным импедансом, с последующей полосовой фильтрацией на частоте заполнения СШП импульса и его регенерацией до КМОП-уровня.

Нормированный график зависимости принимаемой амплитуды импульса S от расстояния h приведен на рис. 2 и показан красным цветом. Синим цветом показана линия тренда, аппроксимирующая данную зависимость, математическое выражение которой приведено в верхнем углу графика.

Как видно, распространение в свободном пространстве магнитного СШП импульса удовлетворительно описывается экспоненциальным законом.

Эксперимент с открытым магнитоиндуктивным каналом проводился в офисном помещении при наличии в нем металлических шкафов, сейфа и компьютеров и показал устойчивый прием и регистрацию сигналов на расстоянии до 2 м. Отношение сигнал/шум на входе приемника при этом составило 16 дБ.

Исследование модели МСПИ с ферромагнитным каналом

Экспериментальная модель МСПИ с ферромагнитным каналом состоит из участка трубы тепловодоснабжения здания, передающей и приемной катушек, намотанных непосредственно на трубе, и аппаратуры генерации и приема сигналов.

Рис. 3. Эквивалентная схема ферромагнитного канала передачи информации:слева
U — источник сигнала;
R1 — суммарное сопротивление потерь источника сигнала и передающей катушки;
L1, L2 — входная и выходная индуктивности, соответственно — выходная индуктивность;
М — взаимная индуктивность;
G0 — проводимость активных потерь в магнитопроводе;
R2 — сопротивление нагрузки приемника

Ввод сигнала в линию связи осуществлялся через входную индуктивность, в которой импульсом тока создавалось импульсное магнитное поле, пригодное для передачи сигнала по ферромагнитной линии связи — магнитной цепи в виде стальной трубы. В месте приема сигнала была расположена выходная индуктивность, на которую действовало дошедшее по стальной трубе магнитное поле. Обе индуктивности (входная и выходная) взаимно индуктивно связаны через ферромагнитную линию связи. В выходной индуктивности переменное магнитное поле создает импульсный электрический сигнал.

Исходя из этого теоретическая модель канала может быть представлена в виде эквивалентного четырехполюсника — трансформатора с разнесенными первичной и вторичной обмотками. Эквивалентная схема представлена на рис. 3.

М = к0 × (L1 × L2) × 0,5,               (3)

где к0 — коэффициент связи между обмотками; G0 = Рп/Um, где Рп — суммарная мощность тепловых потерь в магнитопроводе на перемагничивание и токи Фуко, Um — амплитуда сигнала передатчика.

Величина Рп может быть оценена следующим образом:

Рп = Ps × m × (f / f1) × 2 × (B / B1) × 2,   (4)

где: Ps — удельные массовые потери; m — масса фрагмента магнитопровода между передатчиком и приемником; f — рабочая частота; f1 — базовая расчетная частота 1 кГц; В — величина магнитной индукции; B1 — величина базовой магнитной индукции 1 Тл [4].

Исходя из 1 и 2 закона Кирхгофа и учитывая, что ток в ветви L2R2<< тока через М, получим приближенное решение для выходного сигнала:

U2 = I1m × M × 2pfc × exp(–(t–t0/2) 2 / 2t02) × cos(2pfct),      (5)

где I1m — амплитуда токового импульса в передающей обмотке.

Формула (5) показывает, что эффективность передачи сигнала определяется взаимоиндукцией М, которая линейно зависит от коэффициента связи к0 между катушками. Зависимости коэффициента связи для различных типов магнитопроводов приведены в [4].

Энергетическое уравнение ферромагнитного канала передачи информации имеет следующий вид:

Рпр(дБ) = 10 × Log(Р0)–10 × Log(1/к0)–10 × Log(Рп),            (6),

где Р0 — мощность передаваемого сигнала, Вт.

Рис. 4. Зависимость принимаемой амплитуды импульса от расстояния для ферромагнитного канала

В исследуемой модели ферромагнитного канала частота заполнения короткого радиоимпульса выбиралась исходя из помеховой обстановки в канале (в диапазоне примерно до 2 МГц наблюдались хаотические импульсные помехи от компьютеров, сервера, средств оргтехники) и ограничений по повышению частоты исходя из роста потерь (4). В эксперименте частота заполнения составила 3,5 МГц при длительности импульса 2 мкс. Амплитуда токового импульса составляла 2,5 А.

Для согласования АЧХ канала со спектром сигнала передатчика индуктивность передающей и приемной катушек была выбрана 20 мкГн. Катушки были намотаны на трубе теплоснабжения диаметром 100 мм, выполненной из материала СТ-3, и содержали по 35 витков медного провода диаметром 0,5 мм. Для снижения эффектов рассеяния магнитного поля и воздействия индустриальных и радиопомех катушки заключались в экран, выполненный из медной фольги толщиной 0,5 мм. При проведении исследований расстояние между передающей и приемной катушками варьировалось в диапазоне 0–5 м.

Нормированные графики зависимости амплитуды принимаемого сигнала от расстояния приведены на рис. 4. Фиолетовой линией показана сплайн-интерполяция измеренной характеристики распространения. Представленный график показывает, что в МСПИ с ферромагнитным сердечником и использованием СШП импульсной несущей распространение магнитного сигнала подчиняется экспоненциальному закону. Регистрируемый сигнал и его спектр приведены на рис. 5.

Рис. 5. Регистрируемый сигнал и его спектр в эксперименте

Как показали предварительные теоретические расчеты, быстрое затухание амплитуды импульса передаваемого сигнала в данных системах может быть преодолено за счет применения импульсных последовательностей большой (100–150) скважности с высокой пиковой мощностью — 300–400 Вт в импульсе. При этом может быть достигнута дальность передачи без ретранслятора порядка 100 м.

Испытания модели ферромагнитного канала выявили и ряд недостатков. К ним относятся следующие:

• относительная трудность реализации приемной экранированной катушки на трубопроводной системе с заданными параметрами;
• критично влияние зазора между обмоткой и магнитопроводом.

С целью минимизации этих факторов было предложено следующее техническое решение: передающая магнитная система должна выполняться на катушке с ферритовой вставкой с относительной магнитной проницаемостью m1 не менее 600, а приемная должна состоять из П-образного ферритового магнитопровода (магнитная проницаемость m2 порядка 1000), конструктивно связанного с трубой, в поперечном зазоре которого размещается высокочувствительный датчик магнитного поля. В этом случае для магнитной цепи, образованной этими элементами, справедливо уравнение:

I1m × n1 = H1 × z1+Hт × h+H2 × z2,        (7)

где: I1m — амплитуда токового импульса в передающей обмотке; n1 — количество витков передающей катушки; H1 — напряженность магнитного поля передающей катушки; Hт — напряженность магнитного поля в магнитопроводе трубы; H2 — напряженность магнитного поля в приемном магнитопроводе; z1 — длина намотки в передающей катушке; z2 — длина приемного магнитопровода; h — расстояние между передающей и приемной системами.

Магнитная индукция B и напряженность магнитного поля Hi связаны соотношением:

B = m0 × mi × Hi                       (8),

где mi — относительная магнитная проницаемость соответствующей среды.

Решая уравнение (7) с учетом (8) и принимая mт<< m1, mт<< m2, (mт = 150…220 для сталей водопроводных труб), получим в плоскости приемного датчика:

В = m0 × mт × I1m × n / h                  (9).

Для I1m = 2,5 А, n = 35, mт = 200 в приемном магнитопроводе на расстоянии h = 100 м получим В ~250 мкТл (0,9 Эрстет, [Э]) без учета потерь.

Для регистрации магнитного поля можно использовать аналоговые ГМР-датчики АА002–АА005 фирмы NVE, имеющие чувствительность порядка 3 мВ/(В·Э) в линейном диапазоне ±20 Э. Датчики выполнены по мостовой схеме и требуют наличия измерительного операционного усилителя [5].

Расчеты показывают, что при питании моста напряжением 5 В выходной сигнал датчика составит порядка 14 мВ. В настоящее время идет доработка экспериментальной модели для проверки данного принципа приема сигналов.

Основные результаты исследований экспериментальных моделей МСПИ с открытым и ферромагнитным каналом приведены в таблице.

Протокол и модуляция

В системе цифровой телеметрии по ферромагнитному каналу целесообразно использовать протокол RS-232 с ограничением по скорости передачи до 9600 бит/с и предварительным корректирующим кодированием передаваемого цифрового потока. Виды канальной модуляции — NRZ, Манчестер, код Миллера.

На физическом уровне с учетом характера импульсной СШП несущей целесообразно применить бинарную позиционно-импульсную модуляцию, при которой каждая элементарная посылка передается временным сдвигом положения импульса относительно опорных точек. При этом при передаче «1» сдвиг опережает опорную точку (отрицательный), а при передаче «0» — отстает (положительный).

Для повышения помехоустойчивости и реализации оптимального приема посылка может включать в себя пачку импульсов одинакового знака сдвига с последующим их когерентным накоплением.

Заключение

Исследования экспериментальной модели ферромагнитного канала передачи информации со сверхширокополосной импульсной несущей показали, что на основе этого принципа могут быть созданы помехо­защищенные малопотребляющие системы телеметрии и сбора данных, например для объектов ЖКХ, в частности для передачи информации о состоянии квартирных водосчетчиков на диспетчерский пункт, расположенный в том же здании и связанный с потребителями данной информации обычным интернет-каналом.

В настоящее время проводятся исследования по следующим направлениям:

• оптимизация приемной магнитной системы;
• схемотехника передатчика и приемника;
• выбор оптимальных алгоритмов приема СШП-сигналов с учетом специфики среды передачи информации.

В 2016 г. на МСПИ с использованием СШП импульсной несущей была подана заявка на полезную модель.