張海磊

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452）

1 電力載波通訊系統(tǒng)的應(yīng)用需求

電力線載波不需要額外增加通訊電纜，能顯著降低造價(jià)，而光纖通訊成本高，30km 以?xún)?nèi)的距離上不具有成本優(yōu)勢(shì)。BPSK 是電力線載波通訊方式之一，國(guó)外在深水油氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)在礦井井下通訊、中高壓遠(yuǎn)距離輸電通訊系統(tǒng)、低壓電網(wǎng)自動(dòng)抄表系統(tǒng)、地鐵、高速公路等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。隨著國(guó)內(nèi)深水油氣開(kāi)發(fā)的興起也開(kāi)始應(yīng)用于海油工程領(lǐng)域，深入掌握其分析設(shè)計(jì)方法對(duì)水下控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)有著重要意義。

2 BPSK通訊原理概述

BPSK（BinarypHase Shift Keying）二進(jìn)制相移鍵控技術(shù)是一種調(diào)制解調(diào)技術(shù)，是在調(diào)制端將數(shù)字信號(hào)調(diào)制到高頻載波信號(hào)的一種通訊方式，廣泛應(yīng)用于礦井井下通訊、中高壓遠(yuǎn)距離輸電通訊系統(tǒng)、低壓電網(wǎng)自動(dòng)抄表系統(tǒng)、地鐵、高速公路等領(lǐng)域通訊中。其特點(diǎn)是調(diào)制原理和調(diào)制解調(diào)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用的載波頻率范圍寬，低頻頻段的通訊距離遠(yuǎn)，特別適用于低速率需求下的工業(yè)通訊應(yīng)用。

BPSK 的調(diào)制解調(diào)原理示意如下。（1）輸入端的調(diào)制如下：

其中y（t）=x（t）cos（ωt+θ），x（t）為輸入信號(hào)，ω為載波角頻率，θ為載波的初相角。

（2）輸出端的調(diào)制如下：

a）如果是同步解調(diào)，則w（t）=y（t）cos（ωt+θ）=x（t）cos2（ωt+θ）=x（t）/2+x（t）cos（2ωt+2θ）/2，再采用低通濾波器過(guò)濾掉w（t）的2（ωt+θ）高頻信號(hào)，即可的到輸入信號(hào)x（t）的解析式。

b）如果解調(diào)器與調(diào)制器存在相位差時(shí)，用θ1表示調(diào)制器載波的相位，θ2表示解調(diào)器載波的相位，則調(diào)制和解調(diào)的表達(dá)式變?yōu)椋?/p>

這樣，如果θ1=θ2，則使用低通濾波器過(guò)濾掉w（t）的2ωt+θ1+θ2高頻信號(hào)后，可直接得到x（t）的解析式，這就要求調(diào)制器和解調(diào)器中的振蕩器應(yīng)嚴(yán)格地保持相位同步。若解調(diào)器不能與調(diào)制器端同步，則可能導(dǎo)致相位0和п 發(fā)生顛倒，從而錯(cuò)誤輸出的0和1的值。而且信道會(huì)因外界干擾存在不穩(wěn)定性，造成同樣的相位顛倒發(fā)生錯(cuò)誤。

3 通訊衰減分析

水下拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示，EPU 布置位于平臺(tái)，水上的BPSK 調(diào)制器（Modulation）設(shè)置在EPU 中，解調(diào)器位于采油樹(shù)的SCM 中，主臍帶纜中的電纜長(zhǎng)度為30km。

圖1 水下拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

臍帶纜中的電纜數(shù)據(jù)如下表1所示，電纜截面積為16mm2TSP 0.6/1KV，長(zhǎng)度為30km。

表1 臍帶纜中的電纜數(shù)據(jù)明細(xì)

調(diào)制解調(diào)器的參數(shù)：

發(fā)送電阻：Rs=44Ω

接收電阻：Rr=124/311/99/969Ω*（該阻值能從MCS 遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)）

水下調(diào)制解調(diào)器的標(biāo)稱(chēng)最大衰減值：amodem=35dB（包含10dB 安全余量）

最大輸出電壓：60V（peak/peak）

分析計(jì)算步驟（1）：

載波頻率為15kHz，則衰減為0.89dB/km，30km 衰減合計(jì)為26.7dB

已知電力Modem 輸出電壓為60V（peak/peak），則根據(jù)衰減公式：

通過(guò)以上公式可計(jì)算出U2=2.77V

又根據(jù)接收端解調(diào)器的負(fù)載電阻為99Ω，則I2=0.28A。

接收端的解調(diào)器的最小檢出電壓值為1.1V，而輸出端電壓為2.77V，所以接收端可以檢測(cè)出信號(hào)。

但通常廠家提供的載波衰減值不能覆蓋所有的載波頻點(diǎn)，這就需要對(duì)電纜的衰減進(jìn)行曲線擬合以獲得頻點(diǎn)的衰減值，擬合曲線如圖2所示。

圖2 16mm2 TSP 電纜的最大許用衰減曲線

（X-Axis：4-30kHz；Y-Axis：0.0-1.2dB/km）

分析計(jì)算步驟（2）：

可以根據(jù)長(zhǎng)線傳輸方程或電報(bào)方程進(jìn)一步建模仿真。

通訊系統(tǒng)方框圖建模如圖3所示。

圖3 通訊系統(tǒng)方框圖

其中：

Z0=為傳輸線的特性阻抗U（Z）公 式 中：A1e-(α+jβ)z為 入 射 波，A2e(α+jβ)z為 反 射 波?？梢?jiàn)公式中包含了反射波。

利用以上公式采用Matlab 仿真得到的信號(hào)衰減波形如下圖4，圖中所示波形為疊加后的波形。

圖4 信號(hào)衰減波形圖

4 結(jié)論

以上分析的參數(shù)來(lái)源于國(guó)外某水下廠家的產(chǎn)品，公式采用長(zhǎng)線傳輸方程，但也可以使用電報(bào)方程計(jì)算，此方程在電纜線載波信號(hào)分析中廣泛被采用，仿真軟件采用的是Matlab。通過(guò)模擬仿真計(jì)算可以進(jìn)一了解臍帶纜中電纜的參數(shù)對(duì)衰減的影響，進(jìn)而對(duì)臍帶纜的參數(shù)做出明確要求。