水下生產系統遠距離BPSK電力線載波通信分析

張海磊

（中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津 300452）

1 電力載波通訊系統的應用需求

電力線載波不需要額外增加通訊電纜，能顯著降低造價，而光纖通訊成本高，30km 以內的距離上不具有成本優勢。BPSK 是電力線載波通訊方式之一，國外在深水油氣開發領域已得到廣泛應用，國內在礦井井下通訊、中高壓遠距離輸電通訊系統、低壓電網自動抄表系統、地鐵、高速公路等領域也有廣泛的應用。隨著國內深水油氣開發的興起也開始應用于海油工程領域，深入掌握其分析設計方法對水下控制系統的工程設計有著重要意義。

2 BPSK通訊原理概述

BPSK（BinarypHase Shift Keying）二進制相移鍵控技術是一種調制解調技術，是在調制端將數字信號調制到高頻載波信號的一種通訊方式，廣泛應用于礦井井下通訊、中高壓遠距離輸電通訊系統、低壓電網自動抄表系統、地鐵、高速公路等領域通訊中。其特點是調制原理和調制解調器的結構簡單，可用的載波頻率范圍寬，低頻頻段的通訊距離遠，特別適用于低速率需求下的工業通訊應用。

BPSK 的調制解調原理示意如下。（1）輸入端的調制如下：

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

（2）輸出端的調制如下：

a）如果是同步解調，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濾掉w（t）的2（ωt+θ）高頻信號，即可的到輸入信號x（t）的解析式。

b）如果解調器與調制器存在相位差時，用θ1表示調制器載波的相位，θ2表示解調器載波的相位，則調制和解調的表達式變為：

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

3 通訊衰減分析

水下拓撲結構圖如圖1所示，EPU 布置位于平臺，水上的BPSK 調制器（Modulation）設置在EPU 中，解調器位于采油樹的SCM 中，主臍帶纜中的電纜長度為30km。

圖1 水下拓撲結構圖

臍帶纜中的電纜數據如下表1所示，電纜截面積為16mm2TSP 0.6/1KV，長度為30km。

表1 臍帶纜中的電纜數據明細

調制解調器的參數：

發送電阻：Rs=44Ω

接收電阻：Rr=124/311/99/969Ω*（該阻值能從MCS 遠程調節）

水下調制解調器的標稱最大衰減值：amodem=35dB（包含10dB 安全余量）

最大輸出電壓：60V（peak/peak）

分析計算步驟（1）：

載波頻率為15kHz，則衰減為0.89dB/km，30km 衰減合計為26.7dB

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

通過以上公式可計算出U2=2.77V

又根據接收端解調器的負載電阻為99Ω，則I2=0.28A。

接收端的解調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出信號。

但通常廠家提供的載波衰減值不能覆蓋所有的載波頻點，這就需要對電纜的衰減進行曲線擬合以獲得頻點的衰減值，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）

分析計算步驟（2）：

可以根據長線傳輸方程或電報方程進一步建模仿真。

通訊系統方框圖建模如圖3所示。

圖3 通訊系統方框圖

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。可見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 信號衰減波形圖

4 結論

以上分析的參數來源于國外某水下廠家的產品，公式采用長線傳輸方程，但也可以使用電報方程計算，此方程在電纜線載波信號分析中廣泛被采用，仿真軟件采用的是Matlab。通過模擬仿真計算可以進一了解臍帶纜中電纜的參數對衰減的影響，進而對臍帶纜的參數做出明確要求。