助航灯光系统电力载波通信特性仿真研究

王修岩，王锦林，林家泉，李宗帅

（中国民航大学航空自动化学院，天津 300300）

电力线载波通信（PLC）是指利用电力线路作为通信媒体进行通信，是电力系统特有的通信方式[1]。电力网是目前覆盖范围最广的网络，有着巨大的潜在利用价值。

目前，该技术已经用于助航灯光监控系统，载波信号通过助航灯光回路电缆对整个机场的灯光情况进行监控。但是灯光电缆是用来传输电能的，是非理想的随机参数通信信道，信道中的各个电气参数都对通信质量有一定的影响[3]，因此有必要对电缆进行详细的分析。机场电网的特性是动态的，时间的不同导致电气特性的不同，因此建立一个完全准确的数学模型是不现实的。本文首先设计了信号耦合电路，确保仿真研究在不受影响的情况下进行，如实反映电缆本身的特性。然后根据机场助航灯光系统实际电力线路状况和电力线理论，利用Pspice仿真软件对灯光电缆的电气参数进行仿真，得出助航灯光系统载波通信时的主要影响因素，为今后助航灯光系统电力载波通信的设计提供了参考。

1 耦合电路的设计

载波通信研究的前提是要求测试系统如实反映系统本身的特性，一旦有干扰，该实验就失去了意义。因此要求信号不能受噪声影响，这就需要根据测量目的，设计合适的耦合电路。电路要求电缆中50 Hz的工频信号不能给载波通信带来干扰。

耦合技术一般有电容耦合和电感耦合。本文设计的耦合电路采用了两种耦合技术相结合的复合耦合技术[4]，其电路模型图如图1所示。

该电路由2个回路组成，其中的电流i1（t）和i2（t）为该电路的关键物理量。由基尔霍夫定律可得出该电路的数学模型

其中：i′、i″分别为i的一阶导数和二阶导数；M为变压器的耦合系数。

对式（1）求导，得到二元二阶方程组

式（2）中存在两个未知数 i′、i″，不能解出该方程。

可以先对图1所示的双RLC耦合回路进行去耦处理，并把处理后得到的2个独立的RLC串联回路用二元一阶方程的形式来表示，由此可得到一个四元一阶方程组

该方程组含有4个未知数：i1（t）、i2（t）、uC1（t）、uC2（t）。根据电路的初始储能情况，可以得出定解条件。当电路没有初始储能时，为齐次初始条件，即

根据建立的数学模型和理论分析，设计了如图2所示耦合电路接口的电路图。

在图2中，三极管Q1和变压器TX1组成了调谐功率放大电路。谐振变压器TX1将接口电路与电力线相隔离。一方面，TX1可以滤除通信电路中50 Hz的工频信号噪声；另一方面，耦合载波信号。在Q1和前级运放之间通过一个电路 R1耦合载波信号。L1、L2、C1、C2组成了带通滤波器，信号经 L1、L2、C1、C2耦合到电力线上。

2 仿真模型的建立

2.1 电缆传输线模型

助航灯光通信电缆属于传输线的一种，按照传输线路理论，电缆由许多电阻、电容、电感和电导元件联接组成。这些元件的参数称为电缆传输线路的分布参数。如果忽略分布参数沿线的不均匀性和绝缘电阻等次要因素，可以认为电缆的分布电阻、分布电容和分布电感沿电缆均匀分布，其等效电路模型如图3所示。整个助航灯光回路电缆系统由这些小节点串联而成。

其中，R表示回路上单位长度的电阻（Ω/m）；L表示回路上单位长度的电感（H/m）；G表示单位长度两线间的漏电导（S/m）；C表示单位长度的电容（F/m）。

2.2 灯光电缆传输电路仿真模型

根据电力线理想等效电路，通过设计的耦合电路，建立了如图4所示电力线传输电路仿真模型。

信号由耦合电路耦合到传输线路中，耦合电压器TX2将载波信号滤除下来。C6与TX2的副边电感构成LC谐振电路。其中C6为谐振电容，为了在82 kHz频率上达到谐振，有

式中：Leq为TX2副边电感200 μH。

3 灯光电缆传输电路仿真

以助航灯光常用的MYQ22.5 mm2型电缆为例，取长度1 km。利用万用表，测得电缆电阻R为25 Ω，电容C为77 nF，电感为0.5 mH。

3.1 耦合电路仿真

用Pspice软件对耦合电路进行仿真，得到耦合电路传输特性曲线如图5所示，从图5中可以看出电路对于50 Hz的工频信号衰减很大，可以滤除该工频干扰信号，而对高频信号的衰减幅度很小。因此，该耦合电路完全适用于耦合高频载波信号。

3.2 改变电缆电阻

图6为改变电缆长度时（电阻发生改变），得出的接收信号的仿真波形图。图6中，“◇”表示电阻R为25 Ω的曲线，“□”表示电阻R为50 Ω的曲线。两条曲线的接收信号的频率相同，幅值也没有明显的变化。所以得出，在灯光电缆载波通信中，电缆电阻的变化对载波通信的基本上没有影响。

3.3 改变电缆电感

图7为改变电缆电感时接收信号仿真图。其中电阻、电容不变。由图7中可以看出，随着电感的增大，信号有一定的衰减，但不是太明显。

3.4 改变电缆电容

图8为改变电缆电容时接收信号仿真图。从图8中得出，当电缆的电容增大时，接收信号衰减很大（图中“□”曲线）。电容变大时，导线间的容抗就较小，高频信号就从电容上通过，无法将数据正确传输到接收端。故得出：在电力载波通信中，电力线的电容效应对数据的传输质量有很大的关系。

4 结语

由于很多不确定的因素，使得电力载波通信技术在助航灯光回路上的应用受到限制。本文具体研究了助航灯光系统载波通信的结构，并在此基础上建立了助航灯光系统的传输模型，通过仿真得出助航灯光主路载波通信最大的影响因素为电缆的容抗效应，而阻抗和感抗效应对载波通信影响不大。同时设计了具有抗干扰功能的耦合电路，该电路具有良好的阻隔工频噪声效果，能够让载波信号顺利的耦合到回路中。通过对助航灯光系统传输特性的研究，为今后设计实际灯光通信系统电路有关参数提供了参考。

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