基于传输线的多径模型研究
2017-07-01张秀秀
张秀秀
(长治学院 电子信息与物理系,山西 长治 046011)
基于传输线的多径模型研究
张秀秀
(长治学院 电子信息与物理系,山西 长治 046011)
在电力线上传输信号,线路中的相线和中线可以看成是均匀的传输线,又根据低压电力信道存在的多径效应,可以把在电力线上传输信号的方式看成是在几个具有不同权值的不同信道中同时传输,那么接收到的信号就为几个信道信号的和。文章在此思路上用matlab仿真出了低压信道的多径模型特点,真实反应了低压电力线作为通信线路对信号会产生衰减这一特性。
传输线;多径效应;衰减特性
1 传输线概述
低压电力线作为通信线路时就是一根非均匀分布的传输线,各式各样的用电设备在这根线上任意的在不同位置随机地接入或断开,对信号而言,信号必然要衰减很多。衰减的程度和数据传输距离、信号的频率等都有密切关系。总的来说,信号传输的距离越远,信号衰减就越厉害。
从均匀传输线的含义我们知道,传输线的电阻、电感、电导、电容是沿线均匀分布的,这样我们就可以将传输线等效为分布参数模型,如下图1和2所示。
图2 等效分布参数模型Fig.2 Model of equivalent distributed parameter
在图2中,u(z,t)和u(z+△z,t)分别代表载波信号在传输线z和z+△z处的瞬时电压值。(iz,t)和(iz+△z,t)分别代表信号的瞬时电流值。R(Ω/m),G(S/m),L(H/m),C(F/m)分别代表传输线每单位长度上的电阻、电导、电容和电感。根据电路原理里的基尔霍夫电压定律(KVL)和基尔霍夫电流定律(KCL),我们知道下面两个式子的存在:
这可以用来表示均匀传输线,在电路原理里,电压和电流可以看成随时间变化的函数,在传输线理论中,也可以看成随距离变化的函数,即上面的方程可以用电路里的相量法表示如下[1],
式中,Z0=R+jwL代表单位长度的复阻抗,Y0=G+jwC代表单位长度的复导纳。相量V(z)和(Iz)都是距离z的函数,因此,把式子(1)和(2)的对u,i的偏导数能够理解为全导数,那么式子(1)和(2)的偏微分方程就变成(3)和(4)的常微分方程。对式子(3)和(4)的z求一次导数得到:
在式(11)中,Zc代表特性阻抗,并且是个复数,同时它也是反映均匀传输线特性的另一个重要参数。
2 传输线的多径传播特性
电力线的阻抗具有不连续性,原因在电力线分支处有两种不同特征阻抗的介质。当信号到达电力线分支处即阻抗断点处,信号会部分或者全部反射回去。低压电力线上到处都是分支,也就是说到处都是阻抗断点处,这样信号从发送端发出去很难在接收端接收到。原因是在分支处信号有反射,接收端收到的信号都是经过多条支路反射并延时后的信号的叠加。所以,低压电力线具有多径传播特性。这种多径传播特性可以用回波模型来表达[2],如图3所示。
低压电力线信道的冲激响应是:
等式(12)的频域函数为:
图3 N径回波模型Fig.3 Model of n-path echo
gi是分支i的衰减系数,, τi为载波信号经过分支i时的延时,并且有:
方程中,di为信号传输长度,vr是干扰信号在传输中的传输速度,c0为光速,εr为电力线媒介常数,取3.65[3]。
通过实地考察,低压电力线作为通信环境具有分支太多这个缺点,这就使得信号在传输过程中具有多径传播特性,低压电力线作为通信环境还具有频率选择性衰减特性,这一特点从方程(12)和(13)能够看出。综合考虑,建立低压信道的传递函数如下方程(15):
3 多径传输线模型的仿真
文章的低压电力线信道采用文献[4]中的一个地区分支网,该网的指标和系数如下表1所示:
表1 仿真参数表Table 1 Table of simulation parameters
图4是在matlab中参考表1的指标和系数仿真出的低压电力网的幅频特性,从图中可以看出低压电力网作为传输信道具有频率选择性衰减的缺点。从幅频响应能够得到低压电力信道多径传输线的模型,如下图5所示。
图4 仿真的频率响应Fig.4 Frequency response of simulation
4 结论
在电力线上进行数据传输遇到的问题很多,由文章实例仿真出的结果能够看出载波信号在低压电力线上的衰减是低压抄表系统设计中遇到的一个困难。文章对低压电网信道的幅频特性做了建模研究,所建立的信道模型对于实际的低压抄表系统通信研究有较大的指导价值。
[1]邱关源.电路(下).北京:高等教育出版社,1990:78-90.
[2]松浦虔士.电力传输工程[M].北京:科学出版社,2001:135-141.
[3]虞忠年,陈星莺,刘昊.电力网电能损耗[M].北京:中国电力出版社,2000:44-51.
[4]D.Wu,Y.T.Hou.Streaming Video over the Internet:Approaches and Directions[J].IEEE Trans on Circuit and Systems for Vide o Technology,2001,11(3):282-300.
Research on Multipath Model Based on Transmission Line
Zhang Xiu-xiu
(The Department of Electronic Information and physics Changzhi University,Changzhi Shanxi 046011)
In the power line transmission signal,the phase line and the middle line can be seen as a uniform transmission line.According to the multipath effect of the low-voltage power channel,the transmission of the signal over the power line can be seen as simultaneous transmission in several different channels with different weights,then the
signal is the sum of several channel signals.This paper simulates the characteristics of multi-path model of low-voltage channel by using matlab,and realistically reflects the characteristic that the low-voltage power line will attenuate the signal as communication line.
transmission line;multipath effect;attenuation characteristic
TN911
A
1673-2014(2017)02-0038-03
(责任编辑 郝瑞宇)
2016—12—05
张秀秀(1980— ),女,山西长治人,讲师,硕士,主要从事电子信息技术研究。