张海磊

（中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452）

1 电力载波通讯系统的应用需求

电力线载波不需要额外增加通讯电缆，能显著降低造价，而光纤通讯成本高，30km 以内的距离上不具有成本优势。BPSK 是电力线载波通讯方式之一，国外在深水油气开发领域已得到广泛应用，国内在矿井井下通讯、中高压远距离输电通讯系统、低压电网自动抄表系统、地铁、高速公路等领域也有广泛的应用。随着国内深水油气开发的兴起也开始应用于海油工程领域，深入掌握其分析设计方法对水下控制系统的工程设计有着重要意义。

2 BPSK通讯原理概述

BPSK（BinarypHase Shift Keying）二进制相移键控技术是一种调制解调技术，是在调制端将数字信号调制到高频载波信号的一种通讯方式，广泛应用于矿井井下通讯、中高压远距离输电通讯系统、低压电网自动抄表系统、地铁、高速公路等领域通讯中。其特点是调制原理和调制解调器的结构简单，可用的载波频率范围宽，低频频段的通讯距离远，特别适用于低速率需求下的工业通讯应用。

BPSK 的调制解调原理示意如下。（1）输入端的调制如下：

其中y（t）=x（t）cos（ωt+θ），x（t）为输入信号，ω为载波角频率，θ为载波的初相角。

（2）输出端的调制如下：

a）如果是同步解调，则w（t）=y（t）cos（ωt+θ）=x（t）cos2（ωt+θ）=x（t）/2+x（t）cos（2ωt+2θ）/2，再采用低通滤波器过滤掉w（t）的2（ωt+θ）高频信号，即可的到输入信号x（t）的解析式。

b）如果解调器与调制器存在相位差时，用θ1表示调制器载波的相位，θ2表示解调器载波的相位，则调制和解调的表达式变为：

这样，如果θ1=θ2，则使用低通滤波器过滤掉w（t）的2ωt+θ1+θ2高频信号后，可直接得到x（t）的解析式，这就要求调制器和解调器中的振荡器应严格地保持相位同步。若解调器不能与调制器端同步，则可能导致相位0和п 发生颠倒，从而错误输出的0和1的值。而且信道会因外界干扰存在不稳定性，造成同样的相位颠倒发生错误。

3 通讯衰减分析

水下拓扑结构图如图1所示，EPU 布置位于平台，水上的BPSK 调制器（Modulation）设置在EPU 中，解调器位于采油树的SCM 中，主脐带缆中的电缆长度为30km。

图1 水下拓扑结构图

脐带缆中的电缆数据如下表1所示，电缆截面积为16mm2TSP 0.6/1KV，长度为30km。

表1 脐带缆中的电缆数据明细

调制解调器的参数：

发送电阻：Rs=44Ω

接收电阻：Rr=124/311/99/969Ω*（该阻值能从MCS 远程调节）

水下调制解调器的标称最大衰减值：amodem=35dB（包含10dB 安全余量）

最大输出电压：60V（peak/peak）

分析计算步骤（1）：

载波频率为15kHz，则衰减为0.89dB/km，30km 衰减合计为26.7dB

已知电力Modem 输出电压为60V（peak/peak），则根据衰减公式：

通过以上公式可计算出U2=2.77V

又根据接收端解调器的负载电阻为99Ω，则I2=0.28A。

接收端的解调器的最小检出电压值为1.1V，而输出端电压为2.77V，所以接收端可以检测出信号。

但通常厂家提供的载波衰减值不能覆盖所有的载波频点，这就需要对电缆的衰减进行曲线拟合以获得频点的衰减值，拟合曲线如图2所示。

图2 16mm² TSP 电缆的最大许用衰减曲线

（X-Axis：4-30kHz；Y-Axis：0.0-1.2dB/km）

分析计算步骤（2）：

可以根据长线传输方程或电报方程进一步建模仿真。

通讯系统方框图建模如图3所示。

图3 通讯系统方框图

其中：

Z0=为传输线的特性阻抗U（Z）公 式 中：A1e-(α+jβ)z为 入 射 波，A2e(α+jβ)z为 反 射 波。可见公式中包含了反射波。

利用以上公式采用Matlab 仿真得到的信号衰减波形如下图4，图中所示波形为叠加后的波形。

图4 信号衰减波形图

4 结论

以上分析的参数来源于国外某水下厂家的产品，公式采用长线传输方程，但也可以使用电报方程计算，此方程在电缆线载波信号分析中广泛被采用，仿真软件采用的是Matlab。通过模拟仿真计算可以进一了解脐带缆中电缆的参数对衰减的影响，进而对脐带缆的参数做出明确要求。