（电路与系统专业论文）油井数据采集系统的调制解调器设计与实现.pdf

西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 日期 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 （保密的论文在解密后遵守此规定） 本人签名： 日期 导师签名： 日期 摘要 摘要摘要 在石油资源的开采过程中，常常需要对井下温度、压力和流量等各种参数实 时地进行监测，以充分了解井下信息。本文利用井下直流电机的供电电缆作为信 道，根据电力线扩频载波技术构建了油井数据采集系统的数据调制解调模块，实 现对井下信息的实时监测。 本论文首先对电力线的传输特性进行了讨论，并对其信道特性进行了仿真研 究。电力线扩频载波技术采用扩频通信方式实现数据传输，它具有抗干扰和抗衰 减性能，所以本文选择它作为研究的重点。在此理论基础上开发了电力线载波通 信的数据调制解调器。该系统的硬件部分是由扩频通信芯片 ssc p485、pic18f 单片机和电力线耦合电路组成。在耦合电路中采用了电磁耦合与阻容耦合相结合 的复合耦合技术，实现了电力线工频信号和扩频信号的耦合和分离。同时，在软 件设计部分结合了纠错码以进一步提高系统的通信可靠性。 本论文完成了系统的硬件和软件的设计和调试，并在实验室条件下验证了该 调制解调器可以在井深 1200 米的电力线上实现数据可靠传输。 关键字：电力线载波关键字：电力线载波 扩频通信扩频通信 调制解调调制解调 纠错码纠错码 abstract abstract in the process of oil resources exploitation, the under-well temperature, pressure and other parameters are needed to be monitoring in real-time in order to fully learn the underground information. this paper uses the underground dc supply cables as a channel. the real-time under-well information is monitored utilizing the power line carrier technology to build a data modem module of well spread-spectrum data acquisition system. the paper discusses the characteristics of the power transmission are first, and simulates its channel characteristics. power line carrier technology implements data transmission using spread-spectrum communication. it has anti-jamming and anti-decay properties, so in this paper this tech is chosen to be the focus. this paper develops a communication data modem on the basis of the power line carrier. the systems hardware is consisted of the ssc p485 (spread spectrum communication chip), pic18f( microcontrollers) and a power line coupling circuit. in the coupling circuit, the electromagnetic coupling and the resistance-capacitance coupling combination is combined to implements coupling and separation of the power line signal(50hz) and the spread spectrum signal. meanwhile, the communication reliability of the system is further improved employing error-correcting codes in software design. in this paper, the system hardware and software is designed and debug. it is also proved that the modem is reliable in data transmission through a 1,200 meters power lines down to underground in laboratory conditions. keywords: power line carrier spectrum spread modem error-correcting code 目录 i 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 油井测试技术发展状况 . 2 1.3 本论文研究背景及意义 . 4 1.4 论文内容及各章安排 . 5 第二章 油井中电力线信道分析 . 7 2.1 低压电力线信道分析 . 7 2.2 油井中电力线信道模型及仿真 . 10 2.2.1 电力线传输函数 . 10 2.2.2 电力线单位长度参数及特性阻抗仿真 . 11 2.2.3 油井电力线信道模型及衰减特性仿真 . 14 2.3 本章小结 . 16 第三章 调制解调方式的选择 . 17 3.1 电力线载波通信调制技术 . 17 3.1.1 窄带通信技术 . 17 3.1.2 正交频分复用技术 . 18 3.1.3 扩频通信技术 . 20 3.2 扩频调制方式 . 22 3.3 线性调频技术介绍及仿真研究 . 23 3.3.1 线性调频信号性能分析 . 23 3.3.2 线性调频信号的产生和处理方法 . 24 3.3.3 基于电力线 ssc 技术的仿真研究. 25 3.4 本章小结 . 28 第四章 系统的硬件设计 . 29 4.1 系统总体设计 . 29 4.2 电力线载波芯片介绍 . 30 油井数据采集系统的调制解调器设计与实现 ii 4.3 微控制部分电路设计 . 32 4.4 数据传输部分电路设计 . 33 4.4.1 载波发送电路 . 33 4.4.2 滤波电路设计 . 34 4.4.3 电力线耦合电路设计 . 36 4.5 本章小结 . 38 第五章 系统的软件设计及实验 . 39 5.1cebus 通信协议 . 39 5.2 数据调制模块软件设计 . 40 5.3 数据解调模块软件设计 . 42 5.4 差错控制设计 . 43 5.4.1 bch 编码算法设计 . 44 5.4.2 bch 译码算法设计 . 44 5.5 实验 . 50 5.6 本章小结 . 53 结论 . 55 致谢 . 57 参考文献 . 59 研究成果 . 61 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言 油田是一个以油气生产为主，集勘探、开发、施工作业、后勤辅助生产、多 种经营、社会化服务为一体的大型企业。油田的勘探、钻井、测井等都是野外作 业，流动性强、作业点多、传输距离长，施工现场与公司之间的信息交流长期以 来没有好的解决方案。几十年来，人们实验了各种各样能用的信息传输方式，综 合起来可以分为有线传输和无线传输两种1。 无线传输就是利用磁场、 电场、 声、 光等这些物理量来实现信息传递，缺点是无线信道不仅受到其发射功率的限制， 而且可以使用的频率也受到一定的限制。有线传输方式就是通过专用的电缆、光 缆将油井下面设备的信息传送到井上，它的优点是数据传输的误码率低、传输可 靠性高，缺点是必须另外配置专用的通信线路。而使用电力线载波通信技术可以 充分使用油井设备中现有的供电电缆，减少了投资和对线路的维护成本。因为电 力线载波通信具有传输的速率低、容量小等特点，所以对于对信息传输速率要求 不高的油井通信情况，还是有非常大地实用价值。 电力线载波通信技术（power line communication）简称 plc，是充分利用分 布在城乡各地方的各级高、中、低压（高压通常指 35kv 及以上电压等级、中压 指 10kv 电压等级，低压配电线指 380/220v 用户线）电力线作为信息传输媒介， 在其上构建高速数据通道， 为用户提供进行高速互联网访问、 视频点播、 ip 电话、 远程数据传输等服务，从而形成集数据、语音、视频及电力在内于一体的“四网 合一”的一种通信方式。它是电力系统特有的、基本的通信方式，是以遍布各个 地方的电力网作为信息传输的信道而进行通信的一种有线通信方式。由于使用网 络分布已经成熟可靠的电力网作为载波信号的传输媒介，因此这种通信方式具有 信息传输稳定可靠、路由合理、可同时复用原动信号等特点，是唯一一种不需要 再对通信线路进行投资的有线通信方式。电力线载波通信与其他通信方式相比， 它能有效的利用已经分布成熟的电力网资源，实现通信。因而，电力线载波通信 具有很好的开发前景和应用价值。 本系统的构想就是利用井下直流电机的供电电缆作为信道，根据电力线载波 技术开发出了油井中数据传输的调制解调器，将井下的信息传送至地面，方便监 测人员对井下状态进行监控。 油井数据采集系统的调制解调器设计与实现 2 1.2 油井测试技术发展状况 目前，国际上为潜油电泵配套的井下测试装置产品以美国威德福公司的 weatherford 系列潜油电泵井下测试装置、英国凤凰公司的 phoenix系列潜油电泵 井下测试装置和英国顶峰公司的 zenith系列潜油电泵井下测试装置为代表，并且 垄断着国际潜油电泵井下测试装置这一市场。 这些产品有其突出的特点，它们为不同油田和不同用户的不同需求而研发， 他们也生产了各种型号的产品。 测试的参数一般为 27 个参数， 最多的测试参数 达到 7 个，测试参数多，测试范围相当广泛，测试精度和分辨率都很高，完全可 以覆盖潜油电泵系统的井下参数测试，满足用户对各种油井生产参数的测量和监 控，起到优化生产模式、提高生产效率的作用。还可以根据用户的需要调整测试 参数，从而达到既满足用户使用要求又降低测试装置成本的目的25。 以下附表分别列出了这三家产品的部分性能参数： 表 1.1 英国 phoenix 公司潜油电泵井下测试装置参数 测试参数 测量范围 精度 分辨率 入口压力 010000psi 0.1 1psi 出口压力 010000psi 0.1 1psi 入口温度 0150 1 0.1 电机温度 0150 1 0.1 出口流量 030000bbl/day 5 1bbl/day 振动 012g 5 0.001g 泄漏电流 025ma 0.05 1ua 表 1.2 美国 wea therford 公司潜油电泵井下测试装置参数 测试参数 测量范围 精度 分辨率 入口压力 050000psi 0.1 1psi 出口压力 050000psi 0.1 1psi 入口温度 0125 1 0.1 电机温度 0125 1 0.1 出口流量 030000bbl/day 5 1bbl/day 振动 010g 5 0.001g 泄漏电流 025ma 0.05 1ua 第一章 绪论 3 表 1.3 英国 zenith 公司潜油电泵井下测试装置参数 测试参数 测量范围 精度 分辨率 入口压力 010000psi 0.1 1psi 出口压力 010000psi 0.1 1psi 入口温度 0150 1 0.1 电机温度 0150 1 0.1 出口流量 030000bbl/day 5 1bbl/day 振动 012g 5 0.001g 泄漏电流 025ma 0.05 1ua 由以上设备的技术指标可以看出， 国外监测设备可以测试的参数多， 范围广， 精度和分辨率高，监测技术已经达到较高的水平，例如英国顶峰公司 zenith系列 井下机组多元测试设备，可以测得入口压力、出口压力、入口温度、电机温度、 振动、出口流量和泄漏电流等 7 个参量。完全可以覆盖采油机组系统的井下参数 测试，满足用户对油井生产各种参数的测量和监控，起到优化生产模式、提高生 产效率的作用。还可以根据用户的需要调整测试参数，从而达到既满足用户使用 要求又降低测试装置成本的目的。6 国内对通过潜油电缆的信号传输技术掌握得还不完全成熟，所以当前国内市 场上的潜油电泵状态监测设备测试参数少，基本上都是温度和压力的二元参数测 试装置，虽然测试精度和使用性能满足一些用户需求，但测试参数少、范围小、 精度低、可靠性差，还不能完全满足用户需求。同时也限制了国内潜油电泵井下 测试仪器的发展。其中，比较突出或者说是基本成型的产品有宁波自动化仪表科 技有限公司 1998 年研制的两参数“qcwy-1 型潜油电泵井下测温测压系统” 。其 部分特点及技术指标如下7： 1. 压力测量：035mpa；精度：1.0 级 2. 过压能力：1.5 fs 3. 温度测量：085；精度：2 4. 重量：井下参数测量变送部分l0kg；井上二次仪表部分1.8kg 5. 隔离元件的性能：2500vdc 时，绝缘电阻不小于 2000m 6. 可靠的短路保护：井上动力电缆一相接地时，井下变送器输入端电压不超过 1.5vac 国内潜油电泵井下测试装置的主要趋势是进一步提高测量精度和测量范围， 特别是耐高温能力， 改进机械加工工艺， 设计、 安装多个不同的参数测试传感器， 改善信号传输及信号处理电路，从而设计出能够测量更多井下参数的测试系统。 具体体现在以下几个方面8： 油井数据采集系统的调制解调器设计与实现 4 首先，要提高测量精度，应该提高井下传感器的精度，可以选用新型敏感材 料，比如采用新型本征半导电高分子材料制造压力、温度传感器等； 其次，多种传感器的复合统一，以便于集中选购、安装和处理； 再次，对于信号的传送可以选用更加快捷、无损失或者是损失较小的信号传 送方式，比如采用微波、光纤等通讯方式； 当然，随着电力载波芯片的成熟和技术的发展，电力载波的传送方式将会更 加普遍，与控制系统合二为一达到更智能化的远程控制模式。可以相信，随着科 学技术的进一步发展，未来的潜油电泵井下测试装置将会更加精确和智能化。 1.3 本论文研究背景及意义 在勘探和开采石油资源中，了解油井的地质结构和油井井下的状态对石油资 源的可持续利用有着重要的意义。 这都需要用到测井仪器， 完成诸如测井、 试井、 随钻测井等工作。那么，测井仪器的一项重要工作就是信息采集，即将井下信息 采集下来，传输到井上进行分析。在油田抽油井生产过程中实现对井下状态信息 进行实时监测，并根据监测信息对油井的抽油过程进行控制，我们需要将井下的 信息，例如压力、温度等信息传送到井上以供分析。针对下潜泵式的抽油井，设 计一个基于电力线载波的远程监控系统，可以利用抽油泵的供电电缆，来实现井 下采集数据的传输。 在油井的不断开采中，随着油井的开采它的含水量也逐渐升高，抽油机井也 会出现偏磨现象，严重影响了油井的产量。而井下直线电机无杆采油技术是将直 线电机下到柱塞泵下，取消传统抽油机的抽油杆，通过电机推动柱塞运动，将石 油送到地面上。和以往的抽油机防偏磨的方法相比较，该技术能从根本上杜绝油 井偏磨现象。直线电机不需要传动转换装置，可以直接驱动设备做直线运动，将 抽油泵与直线电机相结合放置在油井井下工作，能满足采油工艺自动控制的要求 和适应恶劣的工作环境，在提高系统总效率和节能方面优势明显直线电机抽油 泵与同类型普通抽油泵相比，直线电机抽油泵在节能、增效等方面效果明显，具 有较好的推广应用前景。 图 1.1 为井下信息监控系统示意图。 第一章 绪论 5 图 1.1 井下信息监控系统示意图 整个系统是由井下模块、电力线、井上模块和 pc 机构成，井下模块用来完 成压力、温度等传感器数据的采集，并将采集到的数据传送到电力线上，井上模 块接收到电力线上的数据后， 将数据上传给pc机， 由pc机将各种参数进行显示。 1.4 论文内容及各章安排 本论文主要研究利用油井中的电力电缆实现数据的远距离传输。相对于其它 通讯信道而言，电力线作为通信信道，本身具有非常复杂的传输特性，同时网络 的噪声和干扰非常严重， 本课题就针对这些问题进行分析处理， 从以下各章分别 进行研究。 第一章、介绍了油井测试技术的国内外现状， 以及本课题的研究背景和意义。 第二章、在理论上分析讨论低压电力线信道的特性， 并根据 matlab 进行了 仿真研究。并对油井中电力线信道做了简单建模，并仿真了其衰减特性。 第三章、介绍了电力线载波通信的几种调制解调技术，最终选择扩频通信中 的线性调频技术作为本系统的调制解调方式。最后详细介绍了线性调频 chirp 技 术，并对其进行仿真，理论上验证了扩频通信可用于电力线通信，且具有良好的 抗干扰性能。 油井数据采集系统的调制解调器设计与实现 6 第四章、在理论分析的基础上，以微芯公司的单片机作为控制单元设计了基 于 ssc p485 扩谱芯片的低压电力线载波通信系统，并进行了硬件设计、连接和 调试。 第五章、进行整个系统的软件设计，为进一步提高通信的可靠性，确保数据 可靠传输，提高系统的抗干扰性并减少误码率，在系统中采用了差错控制中的前 向纠错（fec）技术。对（15,7）bch 码的编译码原理进行分析，并用软件实现 了该纠错码的编译算法。 最后，我们在实验室条件下对整个系统进行了实验，验证了系统的可行性， 给出了实验结果，并进一步提出了有待深入研究的各项工作。 第二章 油井中电力线信道分析 7 第二章第二章 油井中电力线信道分析油井中电力线信道分析 要设计出一个能在预定环境下工作良好的通信系统，必须首先对系统的通信 环境即信号通道特性进行分析研究。本系统利用油井中的电力线作为信号传输的 信道，因此在利用低压电力线建立通信系统之前，有必要对电力线的信道特性进 行分析，它是实现低压电力线通信的基础。下面我们先对低压电力线信道的特性 进行分析，最后给出了油井的电力线信道模型。 2.1 低压电力线信道分析 plc 介质是一个非常不稳定的传输信道，因为电源插座上所连接的电器有千 差万别，导致其输入阻抗各不相同。plc 介质设计的初衷是为了传输电能而非传 输数据，因而对于数据通信而言，其信道特性非常不理想，下面就从电力线信道 的噪声特性、阻抗特性和衰减特性三个方面分析电力线通信信道。 1 噪声特性 电力线信道的噪声主要是由电网中工作的各种用电设备产生的，电网中不同 时间、不同地点工作的用电设备是不同的，因此电力线信道的噪声肯定是随时间 和地点的变化而变化的，而且也与每个人的活动密切相关。除此之外，自然界的 电磁波信号通过电力线耦合进入电网中也会产生各种噪声，在 20mhz 频段内， 主要的外界耦合干扰来自中短波广播信号。本文主要讨论 100khz450khz 频率 范围内的噪声，这样对电力线上的噪声进行分类，可以分为背景噪声、周期性噪 声、突发性噪声和有驻波比造成的频域窄带脉冲噪声 4 类，各种噪声的特性分析 如下9： a. 背景噪声：背景噪声是配电变压器的原边进入配电网的噪声、用户使用的各 种电器设备产生的噪声以及无线电干扰等地综合效果。它是由电力线上很多 的小功率噪声源叠加而产生的干扰，整个通信频带几乎都存在背景噪声。为 比较欧洲标准与美国标准通信频带上的噪声特性，把测量范围设置为 3khz500khz。 图 2.1 为某电力局 15 号台区变压器副边侧的噪声功率谱密度 曲线。 油井数据采集系统的调制解调器设计与实现 8 图 2.1 300khz500khz 功率谱密度 由上图可见，3khz95khz 频率范围内背景噪声的功率谱密度随频率的增加 而明显的下降，其特性为 1/f噪声；在 100khz450khz频率范围内的背景噪 声则基本保持水平状态，其特性为白噪声。 b. 与工频同步的周期性噪声：这种噪声的特点是周期性出现，且与工频同步， 其频率为工频 50hz的整数倍。 目前产生这种噪声的噪声源主要是电力电子设 备，如开关电源、变频设备等。通过大量实验数据分析发现，与工频同步的 周期性噪声的特点是：持续时间长、频域覆盖范围广、噪声功率大。但由于 在高速率传输的通信系统中数据包的持续时间短，可在周期性噪声的间隙内 进行信息传输，从而降低了这种噪声的影响。 c. 突发性噪声：突发性噪声主要由负载的突然进入和退出电网所造成。大家都 知道，一个动态电路中存在电感、电容这一类储能元件，当这个电路的参数 和结构发生变化时，电路会经历一个变化过程。当激励是正弦量时，强制分 量与自由分量的叠加和会在一个时间达到一个比较的值。因此负载的突然进 入和退出会产生一个短时间的突发性脉冲。这种噪声的大部分能量集中在 100khz以下，而且它的发生频率与几 kbit/s 时的数据传输率相比很低。因而 这种突发性噪声对传输系统的影响不是很大。 d. 其他类型的噪声：在一些测量中发现，在整个频率范围内的某些频点会出现 如图 2.1 所示的幅度值很高的线， 这种噪声的产生是由于谐振或行波造成的。 由电路理论我们知道，在高频工作状态下需要考虑传输线中的波过程。配电 网对负载的阻抗特性没有比较严格的要求，并且还会经常处于终端无负载的 情况，这样发生驻波现象的机会就比较大。当传输线上有驻波发生时，在频 域上的表现为等间距的谱线，可推得其间距为xvf2/（v 为高频信号在电 力线上传播的速度，对架空电力线来说，近似为光速；x 为信号源与测点间 导线的距离） 。这种噪声的特点是，一旦产生，持续时间长，能量大。如果通 第二章 油井中电力线信道分析 9 信系统采用单频载波，且载波频率恰好落在这种窄带噪声的频率上，那么此 传输系统将遭到破坏。而扩频载波通信的优势就是能很好地消除这种噪声的 影响。 2 阻抗特性 低压电力线传输特性的一个重要参数就是输入阻抗。对输入阻抗展开研究， 可以为发射机的效率和网络的输入功率提供依据。 电力线一般由良导体加工而成， 本身电阻就非常小。对于不同频率的信号，它的阻抗虽然会有变化，不过变化幅 度不大，因此电力线本身的阻抗并不是信号衰减的直接原因。理论和实验表明低 压电力线上的输入阻抗不仅和所传输的信号频率有非常密切的关系，而且和通过 电力线接入电网的负载情况也有关系。在理想的情况下，当空载时，电力线就像 一根分布比较均匀的传输线。由于在电力线上的等效电感和电容的影响，输入阻 抗会随着所传输信号频率的增大而减小。当在电力线上接有负载时，所有信号频 率的输入阻抗都会减小，但是由于不同的负载类型，不同频率的阻抗也会有不同 变化，所以实际工程中的情况很复杂，甚至无法预测输入阻抗的变化。图 2.2 为 输入阻抗与频率的关系曲线。 图 2.2 输入阻抗与频率的关系曲线 由图 2.2 输入阻抗与频率的关系数据可以看出： 低压电力线上的输入阻抗没有 随频率的增大而减小，有些地方还会与其相反。而且，输入阻抗随着频率的改变 而有剧烈的变化，从 0.1 欧姆到大于 100 欧姆，变化范围超过了 1000 倍。想要弄 清这个问题，我们可以将电力线看成是一根传输线，电力线上连接有各式各样的 负载。这些负载以及电力线本身组合成许多共振电路，在共振频率及其邻近频率 上形成低阻抗区10。因此，在图 2.2 的虚线上可以看到许多阻抗低谷区。同时， 由于负载随机地进入或退出电网，因此在不同的时间，电力线的输入阻抗也会大 幅度变化。另外电力线上的输入阻抗也和位置有关，如图 2.2 的实线所示。因为 在由很多电阻及电感和电容组成的网络中，从不同位置的点看上去，输入阻抗肯 定会不一样。由于低压电力线的输入阻抗的剧烈变化，使发送机功率放大器的输 油井数据采集系统的调制解调器设计与实现 10 出阻抗和接收机的输入阻抗难以保持匹配，因而给电路设计带来很大困难11。 3 高频信号衰减特性 在低压电力线上传输高频信号会产生衰减是电力线载波通信技术在工程实现 上的又一个困难。低压电力线一般由铜或一些导电性能良好的导体制造而成，它 的阻抗非常小(跟导线的截面积和电导率有关)。对不同频率的信号而言，电力线 的阻抗会有变化不过变化不大。对高频信号来说，低压电力线不是均匀分布的传 输线，各种性质不同的负载在低压电网上任意位置随机地连接或断开，因此，高 频信号在低压电力线上的传输必然存在衰减。显然，这种衰减与通信距离、信号 频率有关12。一般来说，信号的衰减受到以下几个因素的影响： a. 载波频率； b. 电力线电缆类型及铺设位置； c. 地线的材料、长度及位置； d. 传输方式及接入位置； e. 天气条件。 总的来说，很多原因使得线路产生衰减，比如电网结构复杂，接入电网的节 点众多，信道也有很多节点上的阻抗不连续，种种原因使电力线具有多径信道的 特征，在这样的信道传输信号必然会造成衰减。另外由于电力线是非均匀不平衡 的传输线， 而接入负载的阻抗也不匹配， 所以信号会产生反射、 驻波等复杂现象。 这些复杂现象的组合使得信号的衰减随距离的变化变得更加复杂。 2.2 油井中电力线信道模型及仿真 2.2.1 电力线传输函数 电力线传输造成的信号衰减随着电力线长度的增加和频率的增加而增加13。 该传输衰减是电力线特征阻抗 l z和传输常数的函数。这两个参数由单位长度的 如下 4 个参数决定：主导电阻 r、电感 l和电容 c，这些均与频率有关，具体 如下： fcjfg fljfr zl 2 2 （2-1） fcfjfgflfjfrf22 （2-2） fjff （2-3） 如果考虑匹配传输线模型，即只考虑信号从信源到接收端的传输，则一段长 第二章 油井中电力线信道分析 11 度为l的传输线的传递函数可写作： lfjlflf eeefh （2-4） 针对电力线特性所做的不同的研究和测量都表明，在 plc 技术所使用的频率 范围 （130mhz） 内， fflfr 2， 且 fcffg2。 不仅如此， l 和 c 随着频率的变化也可以忽略不计。因此，电力线的特征阻抗 l z和传播常 数可以近似为： c l zl （2-5） clfjzfg z fr f l l 2 2 1 2 1 （2-6） 传输常数的实部表示电力线的衰减系数， 因此长度为l的电力线的传输损耗是 l的函数。所以电力线信道传输函数的幅频衰减特性见下式： lf elfa , （2-7） 2.2.2 电力线单位长度参数及特性阻抗仿真 我们将电力线看作是有许多无穷小得长度单元x组成，每一长度x具有电 阻和电感，而两导线间具有电导和电容。电力线单位长度参数值和电力线上传输 信号频率有关，其关系如下式： cc gfg flll frr 21 （2-8） 上式中r、 1 l、 2 l、g、c为电力线单位长度参数系数。电力线系数根据传输 线类型的不同而不同， 表2.1给出三种类型电力线的单位长度电路参数值的系数， 其中长度以米为单位。 油井数据采集系统的调制解调器设计与实现 12 表 2.1 电力线参数值系数 线型 参数 r 211s m 1 l 1 hm 2 l 211 shm g 1 pfm c spsm 1 2 104mm 142 0.287 22.3 91.0 4.68 2 254mm 79.1 0.248 16.8 111 8.57 2 954mm 61.1 0.166 92.6 141 7.56 下面是 matlab 仿真了电力线单位长度参数随信号频率的变化特性，选用 2 104mm电力线进行研究。 图 2.3 2 104mm电阻参数变化曲线 图 2.4 2 104mm电感参数变化曲线 第二章 油井中电力线信道分析 13 图 2.5 2 104mm电容参数变化曲线 图 2.6 2 104mm电导参数变化 当传输线 r、l、g、c 和信号频率已知时，根据式（2-5）可以仿真出电力线 的特性阻抗随频率的变化曲线。 油井数据采集系统的调制解调器设计与实现 14 图 2.7 2 104mm电力线特性阻抗变化曲线 可以看出电力线特性阻抗的特点：特性阻抗的模值跟着频率在变化；电力线 的特性阻抗一般呈容性，当频率到达很高时，由于容抗分量几乎很小，可以近似 认为电力线具有电阻性质的特性阻抗。 2.2.3 油井电力线信道模型及衰减特性仿真 电力线上各种负载的随机接入是造成电力线信道复杂变化特性的主要原因之 一，而潜油井中电力线是专门用来给潜油电机供电的，因此电力线上的负载只有 连在其上的潜油电泵机。要进行油井中电力线数据传输的研究，首先需要根据信 道环境建立采油井环境下低压电力线的简化信道模型。 图 2.8 油井电力线信道模型 如图 2.8 所示：其中：r 为电力线等效电阻，l 为电力线等效电感，c 为电力 线等效电容，g 为电力线等效电导，zf是油井下抽油泵电动机的等效阻抗。但是 随着抽油泵电动机的接入，电力线的网络结构也随之变化，而且由于电动机产生 的干扰，电力线信道特性也随之发生变化。本文假设电动机的等效阻抗为电阻加 电抗。 在电力线上传输的信号，幅度会随着电力线长度和信号频率的增加而衰减， 以下是根据式（2-7）对长度为 500 米、1000 米和 2000 米的电力线的衰减特性进 行仿真研究。其中传输线采用 2 104mm的电力线。 第二章 油井中电力线信道分析 15 图 2.9 电力线（500 米）衰减特性曲线 图 2.10 电力线（1000 米）衰减特性曲线 油井数据采集系统的调制解调器设计与实现 16 图 2.11 电力线（2000 米）衰减特性曲线 从上面这些图中可以看到信号的衰减与信号频率有关系，随着频率的增大衰 减也增加。另一方面，信号的衰减与传输距离也有关，传输距离越远，信号的衰 减就越大。 根据前边的信道模型，理论上任意长度的电力线，任意接入负载的电路我们 都可以分析它的信道特性。不过这个模型是在理想的情况下建立的，没有充分考 虑到油井中的特殊情况，所以并不能真实反映油井的电力线信道。考虑到电力线 作为传输信道的复杂性，而且还有众多的噪声和干扰问题，我们无法用一个精确 的数学模型来分析电力线网络的传输特性。只能讨论一些简单的低压电力线网络 模型并做一些定性分析，在实际设计中，模型不能反映实际情况只能作为参考， 还需要进行大量的现场试验，得到真实的实验数据，才能给出实际潜油井中电力 线的信道特性。 2.3 本章小结 本章根据以前的研究成果简单分析了电力线作为信道的一些特性，分析了低 压电力线信道的噪声特性、 阻抗特性和衰减特性， 说明电力线信道特性非常复杂。 最后根据实际应用环境，提出了油井中电力线信道模型，并对其的衰减特性做了 仿真研究。 第三章 调制解调方式的选择 17 第三章第三章 调制解调方式的选择调制解调方式的选择 3.1 电力线载波通信调制技术 对于一个通信系统，根据不同通信介质的特性选用不同的调制技术。电力线 信道（多径、噪声和信道的强选择性）非常不利于传输通信信号。除了控制实现 成本之外，应用 plc 系统的调制技术必须要能克服信道中的不利因素，如应用 plc 系统的调制解调技术需要保证在电力线信道的非线性特性下也可通信。对于 速率大于 10mbit/s 的传输系统来说信道的非线性特性会使得单频解调技术，就算 可以实现