助航燈光系統(tǒng)電力載波通信特性仿真研究

王修巖，王錦林，林家泉，李宗帥

（中國民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

電力線載波通信（PLC）是指利用電力線路作為通信媒體進(jìn)行通信，是電力系統(tǒng)特有的通信方式[1]。電力網(wǎng)是目前覆蓋范圍最廣的網(wǎng)絡(luò)，有著巨大的潛在利用價(jià)值。

目前，該技術(shù)已經(jīng)用于助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)，載波信號(hào)通過助航燈光回路電纜對整個(gè)機(jī)場的燈光情況進(jìn)行監(jiān)控。但是燈光電纜是用來傳輸電能的，是非理想的隨機(jī)參數(shù)通信信道，信道中的各個(gè)電氣參數(shù)都對通信質(zhì)量有一定的影響[3]，因此有必要對電纜進(jìn)行詳細(xì)的分析。機(jī)場電網(wǎng)的特性是動(dòng)態(tài)的，時(shí)間的不同導(dǎo)致電氣特性的不同，因此建立一個(gè)完全準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是不現(xiàn)實(shí)的。本文首先設(shè)計(jì)了信號(hào)耦合電路，確保仿真研究在不受影響的情況下進(jìn)行，如實(shí)反映電纜本身的特性。然后根據(jù)機(jī)場助航燈光系統(tǒng)實(shí)際電力線路狀況和電力線理論，利用Pspice仿真軟件對燈光電纜的電氣參數(shù)進(jìn)行仿真，得出助航燈光系統(tǒng)載波通信時(shí)的主要影響因素，為今后助航燈光系統(tǒng)電力載波通信的設(shè)計(jì)提供了參考。

1 耦合電路的設(shè)計(jì)

載波通信研究的前提是要求測試系統(tǒng)如實(shí)反映系統(tǒng)本身的特性，一旦有干擾，該實(shí)驗(yàn)就失去了意義。因此要求信號(hào)不能受噪聲影響，這就需要根據(jù)測量目的，設(shè)計(jì)合適的耦合電路。電路要求電纜中50 Hz的工頻信號(hào)不能給載波通信帶來干擾。

耦合技術(shù)一般有電容耦合和電感耦合。本文設(shè)計(jì)的耦合電路采用了兩種耦合技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合耦合技術(shù)[4]，其電路模型圖如圖1所示。

該電路由2個(gè)回路組成，其中的電流i1（t）和i2（t）為該電路的關(guān)鍵物理量。由基爾霍夫定律可得出該電路的數(shù)學(xué)模型

其中：i′、i″分別為i的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)；M為變壓器的耦合系數(shù)。

對式（1）求導(dǎo)，得到二元二階方程組

式（2）中存在兩個(gè)未知數(shù) i′、i″，不能解出該方程。

可以先對圖1所示的雙RLC耦合回路進(jìn)行去耦處理，并把處理后得到的2個(gè)獨(dú)立的RLC串聯(lián)回路用二元一階方程的形式來表示，由此可得到一個(gè)四元一階方程組

該方程組含有4個(gè)未知數(shù)：i1（t）、i2（t）、uC1（t）、uC2（t）。根據(jù)電路的初始儲(chǔ)能情況，可以得出定解條件。當(dāng)電路沒有初始儲(chǔ)能時(shí)，為齊次初始條件，即

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型和理論分析，設(shè)計(jì)了如圖2所示耦合電路接口的電路圖。

在圖2中，三極管Q1和變壓器TX1組成了調(diào)諧功率放大電路。諧振變壓器TX1將接口電路與電力線相隔離。一方面，TX1可以濾除通信電路中50 Hz的工頻信號(hào)噪聲；另一方面，耦合載波信號(hào)。在Q1和前級運(yùn)放之間通過一個(gè)電路 R1耦合載波信號(hào)。L1、L2、C1、C2組成了帶通濾波器，信號(hào)經(jīng) L1、L2、C1、C2耦合到電力線上。

2 仿真模型的建立

2.1 電纜傳輸線模型

助航燈光通信電纜屬于傳輸線的一種，按照傳輸線路理論，電纜由許多電阻、電容、電感和電導(dǎo)元件聯(lián)接組成。這些元件的參數(shù)稱為電纜傳輸線路的分布參數(shù)。如果忽略分布參數(shù)沿線的不均勻性和絕緣電阻等次要因素，可以認(rèn)為電纜的分布電阻、分布電容和分布電感沿電纜均勻分布，其等效電路模型如圖3所示。整個(gè)助航燈光回路電纜系統(tǒng)由這些小節(jié)點(diǎn)串聯(lián)而成。

其中，R表示回路上單位長度的電阻（Ω/m）；L表示回路上單位長度的電感（H/m）；G表示單位長度兩線間的漏電導(dǎo)（S/m）；C表示單位長度的電容（F/m）。

2.2 燈光電纜傳輸電路仿真模型

根據(jù)電力線理想等效電路，通過設(shè)計(jì)的耦合電路，建立了如圖4所示電力線傳輸電路仿真模型。

信號(hào)由耦合電路耦合到傳輸線路中，耦合電壓器TX2將載波信號(hào)濾除下來。C6與TX2的副邊電感構(gòu)成LC諧振電路。其中C6為諧振電容，為了在82 kHz頻率上達(dá)到諧振，有

式中：Leq為TX2副邊電感200 μH。

3 燈光電纜傳輸電路仿真

以助航燈光常用的MYQ22.5 mm2型電纜為例，取長度1 km。利用萬用表，測得電纜電阻R為25 Ω，電容C為77 nF，電感為0.5 mH。

3.1 耦合電路仿真

用Pspice軟件對耦合電路進(jìn)行仿真，得到耦合電路傳輸特性曲線如圖5所示，從圖5中可以看出電路對于50 Hz的工頻信號(hào)衰減很大，可以濾除該工頻干擾信號(hào)，而對高頻信號(hào)的衰減幅度很小。因此，該耦合電路完全適用于耦合高頻載波信號(hào)。

3.2 改變電纜電阻

圖6為改變電纜長度時(shí)（電阻發(fā)生改變），得出的接收信號(hào)的仿真波形圖。圖6中，“◇”表示電阻R為25 Ω的曲線，“□”表示電阻R為50 Ω的曲線。兩條曲線的接收信號(hào)的頻率相同，幅值也沒有明顯的變化。所以得出，在燈光電纜載波通信中，電纜電阻的變化對載波通信的基本上沒有影響。

3.3 改變電纜電感

圖7為改變電纜電感時(shí)接收信號(hào)仿真圖。其中電阻、電容不變。由圖7中可以看出，隨著電感的增大，信號(hào)有一定的衰減，但不是太明顯。

3.4 改變電纜電容

圖8為改變電纜電容時(shí)接收信號(hào)仿真圖。從圖8中得出，當(dāng)電纜的電容增大時(shí)，接收信號(hào)衰減很大（圖中“□”曲線）。電容變大時(shí)，導(dǎo)線間的容抗就較小，高頻信號(hào)就從電容上通過，無法將數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)浇邮斩?。故得出：在電力載波通信中，電力線的電容效應(yīng)對數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量有很大的關(guān)系。

4 結(jié)語

由于很多不確定的因素，使得電力載波通信技術(shù)在助航燈光回路上的應(yīng)用受到限制。本文具體研究了助航燈光系統(tǒng)載波通信的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上建立了助航燈光系統(tǒng)的傳輸模型，通過仿真得出助航燈光主路載波通信最大的影響因素為電纜的容抗效應(yīng)，而阻抗和感抗效應(yīng)對載波通信影響不大。同時(shí)設(shè)計(jì)了具有抗干擾功能的耦合電路，該電路具有良好的阻隔工頻噪聲效果，能夠讓載波信號(hào)順利的耦合到回路中。通過對助航燈光系統(tǒng)傳輸特性的研究，為今后設(shè)計(jì)實(shí)際燈光通信系統(tǒng)電路有關(guān)參數(shù)提供了參考。

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