王書斌，劉 穎，曹海量,郭龍川，王 玨，朱春麗，田 佳

[1. 中國石油大學(xué)(北京)，自動(dòng)化系，北京 102249； 2. 中海油研究總院，北京 100028]

水下控制電力載波通信信道特性仿真研究

王書斌1，劉 穎1，曹海量1,郭龍川1，王 玨2，朱春麗2，田 佳2

[1. 中國石油大學(xué)(北京)，自動(dòng)化系，北京 102249； 2. 中海油研究總院，北京 100028]

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行與通信系統(tǒng)的安全可靠息息相關(guān)。采用電力載波通信(PLC)方式，引入集中參數(shù)這一概念進(jìn)行建模，并將南海某水下氣田的現(xiàn)場實(shí)測RLGC(電阻、電感、電導(dǎo)、電容)參數(shù)值代入到系統(tǒng)模型中。使用OrCAD Capture軟件進(jìn)行仿真，得到了信號(hào)在不同傳輸路徑下的衰減曲線，分析了影響水下電網(wǎng)背景噪聲的因素，最后通過限定誤碼率，計(jì)算了任一傳輸路徑在某一頻率下所能達(dá)到的極限傳輸速率。研究結(jié)果為水下生產(chǎn)控制載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種參考方法，有一定應(yīng)用價(jià)值。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)；集中參數(shù)；電力載波通信；RLGC參數(shù)；OrCAD Capture軟件

0 引 言

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)(SPS)的關(guān)鍵組成部分[1-3]。許多學(xué)者對水下控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究[4-8]。在水下控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)、圖像、語音等各種不同形式信號(hào)的發(fā)送/接收設(shè)備以及它們之間的通信信道構(gòu)成的整個(gè)水下通信系統(tǒng)，尤其是通信信道，扮演著十分重要的角色，它直接關(guān)乎到設(shè)備檢測信號(hào)、數(shù)據(jù)采集信號(hào)以及控制指令能否順利到達(dá)。因此，本文主要針對水下載波通信進(jìn)行仿真分析。

水下通信方式主要有三種。第一種是水聲通信，其損耗因素過多，帶寬狹窄，衰減分析較為復(fù)雜，故不利于工程設(shè)計(jì)。第二種是光纖通信，此種方式主要用于水上平臺(tái)與水下分配單元(SDH)之間的遠(yuǎn)距離通信，因其成本高昂，所以不利于廣泛應(yīng)用。第三種為電力載波通信(PLC)方式，它可以實(shí)現(xiàn)電力與通信數(shù)據(jù)的同線傳輸，不僅降低了通信成本，其傳輸速率也完全可以滿足SPS對通信速率的要求。近年來許多學(xué)者對水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的PLC進(jìn)行了研究[9-13]：文獻(xiàn)[9]對水下PLC的原理、組成結(jié)構(gòu)和調(diào)制方式進(jìn)行了簡單介紹；文獻(xiàn)[10]介紹了幾種主要的調(diào)制方式；文獻(xiàn)[11-13]給出了水下載波通信路由器的設(shè)計(jì)方法。但這些文獻(xiàn)只是簡要地介紹了通信系統(tǒng)的工作原理、組成設(shè)備或調(diào)制/解調(diào)設(shè)備，并未涉及實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及分析。

本文通過引入傳輸線集中參數(shù)模型這一概念對電力線系統(tǒng)進(jìn)行了建模，模型考慮了對PLC性能影響最大的兩個(gè)方面：線路衰減和背景噪聲。將該模型應(yīng)用到南海某水下氣田的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過仿真，分別得到了主臍帶纜和水下場內(nèi)臍帶纜不同路徑的通信傳輸帶寬，分析了不同設(shè)備對水下通信線路中的電網(wǎng)背景噪聲的影響，最后通過限定誤碼率，計(jì)算出任一傳輸路徑下、某一頻率時(shí)所能達(dá)到的最高傳輸速率，對于實(shí)際的水下載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1 PLC通信線路基本模型

傳統(tǒng)低頻輸電線的傳導(dǎo)電波長度遠(yuǎn)大于輸電線長度，因此，只需考慮電壓源與負(fù)載的特性，輸電線效應(yīng)可以忽略。而在PLC這種高頻線路中，波長往往低于輸電線長度，輸入、輸出阻抗難以匹配，導(dǎo)致電波在傳輸空間內(nèi)來回反射，形成駐波，增加了信道的復(fù)雜性與不確定性，因此，需要對傳輸線的高頻特性加以分析并對信道進(jìn)行建模。在以往的研究中，學(xué)者們提出了不同種類的PLC載波通信信道建模方法，其中較為著名的有Zimmermann等[14]和Philipps[15]提出的多徑傳輸模型，Anatory等[16]提出的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型等。這些模型均是基于均勻傳輸線理論[17]推導(dǎo)得到的，如圖1所示即為一段均勻傳輸線模型。

圖1 均勻傳輸線模型Fig.1 Uniform transmission line model

根據(jù)該模型結(jié)構(gòu)，由基爾霍夫電壓定律(KVL)可得到如下方程組：

(1)

式中：x方向?yàn)殡娏鞑シ较?，U(x，t)、I(x，t)分別是與時(shí)間t和位置x有關(guān)的電壓值、電流值；R、L、G、C分別代表傳輸線導(dǎo)體單位長度的電阻、電感、電導(dǎo)和電容值。由式(1)可以看到，均勻傳輸線是一個(gè)分布參數(shù)模型。由于電力線的分布參數(shù)模型較為復(fù)雜，不便于工程設(shè)計(jì)與分析，并且根據(jù)傳輸線知識(shí)，在一定長度的均勻傳輸線上，可以忽略線路的分布參數(shù)及集膚效應(yīng)。因此，通過對式(1)中的電壓與電流進(jìn)行集中化處理，得到穩(wěn)態(tài)時(shí)的均勻傳輸線方程，即集中參數(shù)模型：

(2)

式中：U1、I1分別是集中參數(shù)模型第一段的輸入電壓和輸入電流；U2、I2分別是集中參數(shù)模型第二段的輸入電壓和輸入電流，同時(shí)，U2、I2也是集中參數(shù)模型第一段的輸出電壓和輸出電流；g為傳播常數(shù)。

將式(2)改寫成二端口網(wǎng)絡(luò)的形式，有

(3)

式中：Z為特性阻抗。式(3)中[U2I2]T前的參數(shù)矩陣決定了整個(gè)傳輸信道的特性。Z和g的表達(dá)式分別為

(4)

(5)

由式(4)和式(5)可以看出，Z和g這兩個(gè)參數(shù)均與電力線分布RLGC值以及加載的頻率有關(guān)。隨著信號(hào)源頻率的增加，Z的數(shù)值主要取決于L和C，主要反映信道的固有特性，與發(fā)射源和負(fù)載無關(guān)。根據(jù)傳輸線理論，一般情況下，g為復(fù)數(shù)，實(shí)部代表信號(hào)幅值衰減常數(shù)，虛部代表信號(hào)相角滯后常數(shù)。這兩個(gè)參數(shù)共同決定了信道的衰減特性。

2 通信信道建模與仿真分析

2.1 通信信道建模

目前，國際上主流的SPS開發(fā)模式采用全水下系統(tǒng)回接到水上平臺(tái)的形式，因此，本文根據(jù)這一開發(fā)模式對南海某水下氣田進(jìn)行建模。圖2展示了整個(gè)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)電力/通信結(jié)構(gòu)。

圖2 水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)電力/通信結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Power/communication structure of subsea production control system

水上載波機(jī)位于水下電力/通信單元(SPCU)中，水下載波機(jī)位于各個(gè)水下控制模塊(SCM)上。整個(gè)系統(tǒng)的水上與水下的電力/信號(hào)傳輸通過一根主臍帶纜實(shí)現(xiàn)，長度為30 km。水下各個(gè)SCM之間通過場內(nèi)臍帶纜的連接進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送與接收。水下分支的終端共有7個(gè)SCM。SDH與東、西部管匯上也各包含一個(gè)SCM，水下變壓器位于SDH中。

由于載波信號(hào)不能夠跨越變壓器進(jìn)行傳輸，因此，通信的仿真分為兩部分：(1) 水面臍帶纜終端總成到水下SDH之間的30 km主臍帶纜通信；(2) 水下SDH到水下SCM之間的場內(nèi)臍帶纜通信。

根據(jù)以上分析，在對通信信道進(jìn)行建模時(shí)，考慮到參數(shù)Z和g決定了信號(hào)沿電力線傳播的線路衰減，而這兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算公式式(4)和式(5)中包含了電力線的分布電阻、電感、電容以及電導(dǎo)值，因此，若要對信號(hào)傳輸信道進(jìn)行分析，則必須獲取這4個(gè)參數(shù)的數(shù)值。

海洋工程中一般采用測量法來得到電纜的分布RLGC參數(shù)值。通過對單位長度的電纜進(jìn)行頻率掃描，得到不同頻率下的RLGC數(shù)值。在實(shí)際的工程測量中，只有電纜分布電阻的數(shù)值隨著頻率的升高略有上升，其余參數(shù)基本保持不變。而根據(jù)傳輸線知識(shí)，導(dǎo)線本身的電導(dǎo)對系統(tǒng)信號(hào)通信的影響可以忽略，因此，可根據(jù)某一頻率下測量的一組RLGC參數(shù)值對模型進(jìn)行賦值。對于非單位長度的電纜，纜長為Δx,由于在一定長度內(nèi)電纜是均勻線性的，所以其RLGC參數(shù)可用下式進(jìn)行計(jì)算：

R=rΔx，L=lΔx，G=gΔx，C=cΔx

，

(6)

式中：r,l,g,c分別是電纜每千米的電阻、電感、電導(dǎo)、電容值。主臍帶纜與場內(nèi)臍帶纜均采用截面積為16 mm2的水下專用電纜。南海某水下氣田在一定條件下實(shí)測的單位長度電纜參數(shù)值如表1第4行所示。由于相鄰SCM之間的最長通信距離不超過30 km，根據(jù)傳輸線理論，可忽略電纜的集膚效應(yīng)和分布參數(shù)特性，因此，電力線集中參數(shù)模型適用于本次設(shè)計(jì)分析。文獻(xiàn)[18]對傳輸線分布電導(dǎo)進(jìn)行了仿真，其仿真結(jié)果表明，在1 Hz～30 MHz范圍內(nèi)，電纜的電導(dǎo)效應(yīng)可忽略不計(jì)。因此，本次仿真無需考慮電纜的分布電導(dǎo)。表1其余行中的電力線分布電阻、電感、電容數(shù)值是根據(jù)式(6)計(jì)算出來的。

表1 RLC參數(shù)測量值Table 1 Measured values of RLC

2.2 仿真分析

OrCAD Capture這一電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)軟件具有強(qiáng)大的電路圖繪制、模擬仿真以及圖形后處理功能，非常適合于分析整個(gè)載波通信系統(tǒng)的性能，本文利用該軟件進(jìn)行仿真。完成的主要內(nèi)容包括信道衰減、背景噪聲(高壓直流電)、傳輸帶寬等具體通信特性的仿真分析。仿真前提供了一定的輸入說明和條件，具體內(nèi)容如下：

(1) 臍帶纜具有抗水下高壓特性，水壓對通信質(zhì)量的影響可忽略不計(jì)；海水中的多種金屬離子可吸收電磁波，起到屏蔽電磁干擾作用；水溫范圍一般為-2～30 ℃。

(2) 調(diào)制方式：MQAM。

(3) 誤碼率不高于1×10-6。

(4) 發(fā)射信號(hào)為37 dBm(5 W)；同時(shí)，根據(jù)項(xiàng)目規(guī)定，系統(tǒng)接收機(jī)最低功率要大于等于-45 dBm(低于此值信號(hào)將淹沒在背景噪聲中，無法提取信號(hào))。接收端獲得的接收功率可用下式進(jìn)行計(jì)算：

PR=10·lg(IR·VR)·1000，

(7)

式中：PR為接收機(jī)信號(hào)功率，dBm。

仿真設(shè)置中，選擇交流小信號(hào)與噪聲同時(shí)分析的模式。發(fā)射機(jī)功率設(shè)為37 dBm，幅值為1，相位為0。采用2倍頻程掃描，每2倍頻程設(shè)置10個(gè)掃描點(diǎn)。載波頻率為100 Hz～500 kHz。將不間斷電源(UPS)作為電網(wǎng)的等效噪聲源，每隔30個(gè)頻率點(diǎn)輸出一份噪聲資料。

例1：無電網(wǎng)噪聲時(shí)的30 km主臍帶纜信號(hào)衰減特性。如圖3所示為下行通信的原理圖，其中，電阻R、電感L和電容C的單位若未特別說明，則為國際單位Ω、H和F。信號(hào)源V1，為了得到37 dBm的發(fā)射功率，內(nèi)阻定為25 Ω，接收機(jī)位于水下SDH的SCM上，內(nèi)阻定為100 Ω。由于臍帶纜工作溫度是變化的[19]，因此，分別在-20、0、20、40、60 ℃五種溫度下進(jìn)行仿真，進(jìn)而觀察溫度對通信性能的影響，得到的仿真曲線如圖4所示，不同溫度下接收信號(hào)功率曲線重合，說明環(huán)境溫度對接收機(jī)信號(hào)質(zhì)量基本無影響。1 kHz以前接收功率保持穩(wěn)定，超過1 kHz以后呈線性衰減。截止頻率為4.624 9 kHz。

圖3 無電網(wǎng)噪聲時(shí)，主臍帶纜下行通信仿真模型Fig.3 Umbilical downlink communication simulation model without electric network noises

圖4 接收機(jī)信號(hào)衰減Fig.4 Signal attenuation at the receiving end

例2：加入電網(wǎng)背景噪聲(高壓直流電)時(shí)主臍帶纜信號(hào)衰減特性。

在深水環(huán)境中，諸如船舶、海浪、生物之類噪聲可以忽略不計(jì)，但是，由于實(shí)際載波信號(hào)與傳輸電能的電力線共用一根電纜，因此仿真過程中必須考慮實(shí)際電網(wǎng)背景噪聲對接收機(jī)接收信號(hào)的影響。圖5是加入了電網(wǎng)背景噪聲的主臍帶纜下行通信原理圖。南海某水下氣田采用1 230 V直流UPS為水下設(shè)備供電，電壓到達(dá)水下SDH處經(jīng)過變壓器降壓，以此來獲得符合SCM電壓窗范圍的電壓值。UPS位于主臍帶纜上部，內(nèi)阻為10 Ω。為了得到電網(wǎng)背景噪聲隨環(huán)境溫度改變的變化規(guī)律，仍然需要進(jìn)行溫度分析。圖6的仿真結(jié)果描繪了不同溫度下電網(wǎng)背景噪聲隨頻率變化的曲線。與此同時(shí)，UPS與發(fā)射機(jī)相對位置的不同會(huì)導(dǎo)致上/下行通信的衰減存在一定差異，因此，圖7和圖8分別對這兩種傳輸方向進(jìn)行了仿真。

圖5 加入電網(wǎng)背景噪聲時(shí)主臍帶纜通信仿真模型Fig.5 Umbilical communication simulation model with additive electric network noises

圖6 主臍帶纜不同溫度下的電網(wǎng)背景噪聲Fig.6 Electric network background noises in the umbilical cable under different temperature

從圖6中首先可以看到，無論環(huán)境溫度如何改變，在100～870 Hz這一頻帶內(nèi)，整個(gè)電網(wǎng)背景噪聲功率都呈指數(shù)增長，最大值出現(xiàn)在頻率為870 Hz時(shí)，功率總和在-342～-346 dBm之間，隨后線性下降，對信道的影響逐漸降低。通過對比圖4與圖7的衰減曲線可知，電網(wǎng)背景噪聲的存在會(huì)使得接收機(jī)信號(hào)的截止頻率前移，直接導(dǎo)致傳輸帶寬變窄，降低傳輸速率。

Research progress in application of polycarboxylate superplasticizer polyether macromonomer 10 13

其次，在-20 ℃到60 ℃范圍內(nèi)，溫度每升高20 ℃，電網(wǎng)背景噪聲整體增加約0.8 dB，與電網(wǎng)背景噪聲功率-342～-370 dBm相比可以忽略。這說明溫度的變化對電網(wǎng)背景噪聲的影響較小，在實(shí)際通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可不做考慮。

水面臍帶纜終端總成到水下SDH的主臍帶纜下行衰減如圖7所示，圖中包含信號(hào)源的發(fā)射功率、接收機(jī)的接收功率以及電網(wǎng)背景噪聲。發(fā)送功率在整個(gè)頻率范圍內(nèi)保持在37 dBm(5 W)；接收機(jī)功率在0～700 Hz之間保持在-14 dBm，超過700 Hz后線性下降，當(dāng)信號(hào)源頻率提高到2.454 3 kHz時(shí)，接收機(jī)的信號(hào)功率衰減到-45 dBm，接收機(jī)無法提取有用信號(hào)。

圖7 主臍帶纜的下行衰減Fig.7 Downlink attenuation of the umbilical cable

圖8展示了主臍帶纜上行衰減。接收機(jī)信號(hào)衰減呈現(xiàn)出類似二次函數(shù)的曲線形式，信號(hào)傳輸帶寬降至1.759 1 kHz。通過與下行衰減對比可知：同一傳輸路徑的上行衰減更為劇烈，更能衡量一個(gè)傳輸通道的性能。因此，上行衰減對載波機(jī)發(fā)射功率的設(shè)計(jì)以及信道通信速率的計(jì)算都更具有指導(dǎo)意義。

圖8 主臍帶纜的上行衰減Fig.8 Uplink attenuation of the umbilical cable

圖9 場內(nèi)臍帶纜通信仿真模型Fig.9 Communication simulation model of the infield umbilical cables

例3：水下SDH到水下SCM之間的場內(nèi)臍帶纜通信。

目前，SPS的水下組成形式以樹型結(jié)構(gòu)為主，SDH與SCM之間的場內(nèi)臍帶纜通信結(jié)構(gòu)如圖9所示，其中，接收端的變壓器模塊可根據(jù)需要分別接于SCM1～SCM7的末端電阻上。水下每一個(gè)SCM的電壓窗為300～600 V，本次仿真選取500 V作為水下SCM的供電源電壓，信號(hào)發(fā)射機(jī)位于SDH上，接收機(jī)安裝在SCM1～SCM7中。圖10和圖11分別為水下場內(nèi)臍帶纜通信系統(tǒng)的背景噪聲以及各個(gè)路徑的下行衰減。

圖10 場內(nèi)臍帶纜的電網(wǎng)背景噪聲Fig.10 Electric network background noises in the infield umbilical cables

圖11 場內(nèi)臍帶纜各路徑下行通信衰減曲線對比Fig.11 Comparison of attenuation curve for downlink communication of each path in the infield umbilical cables

對比圖10與圖6的噪聲曲線可以看到，水下SCM之間的場內(nèi)臍帶纜通信的電網(wǎng)背景噪聲高于主臍帶纜，而主臍帶纜的噪聲則更加平穩(wěn)。

圖11中共有7條接收機(jī)的信號(hào)衰減曲線。距離最近的SDH—SCM7路徑衰減最緩慢，帶寬可達(dá)60 kHz以上。距離最遠(yuǎn)的SDH—SCM1和SDH—SCM4路徑衰減最嚴(yán)重，帶寬為15.771 kHz。這里值得一提的是，在實(shí)際海洋工程的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，必須以衰減最嚴(yán)重、帶寬最狹窄的傳輸路徑作為設(shè)計(jì)參考。因此，水下SCM之間通信的誤碼率和傳輸速率要根據(jù)SDH到SCM1或SCM2之間的信道來計(jì)算。

3 傳輸速率計(jì)算

3.1 主臍帶纜傳輸速率計(jì)算

本文的電力線載波通信調(diào)制方式采用MQAM。該方式比單一參量受控?cái)?shù)字符號(hào)的頻帶傳播方式更具抗干擾能力，這會(huì)使得頻帶利用率大為提高，極大地節(jié)省了頻率資源，更加適合信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。

若要計(jì)算信號(hào)的傳輸速率，首先要限定誤碼率，本文要求通信誤碼率不大于1×10-6。MQAM調(diào)制方式的誤碼率計(jì)算公式為[20]

(8)

式中：erfc()為互補(bǔ)誤差函數(shù)；r為信噪比。這兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算公式分別為

(9)

(10)

式中：erf()為誤差函數(shù)，可通過MATLAB中的誤差函數(shù)指令進(jìn)行計(jì)算；Eav為平均信號(hào)能量；n0為接收機(jī)所處環(huán)境的背景噪聲，根據(jù)前文的仿真條件定為-45 dBm。Eav的表達(dá)式為

(11)

式中：Prec為接收端的二進(jìn)制信號(hào)所攜帶的能量；B為帶寬；Sp為所求的最高傳輸速率。將以上公式進(jìn)行展開，可得

(12)

本次傳輸速率計(jì)算以衰減最嚴(yán)重的主臍帶纜上行通信為例，背景噪聲功率為n0=10-4.5×10-3W，帶寬為1 759 Hz，調(diào)制/解調(diào)采用4QAM。同時(shí)，為了盡可能得到信道最低傳輸速率，接收端應(yīng)盡可能地選擇距離截止頻率較近的頻率點(diǎn)的功率值，本次計(jì)算選取了(897.654 Hz，-34.995 dBm)。將上述數(shù)據(jù)代入式(12)可得

(13)

求解該方程，得到傳輸速率Sp=1 392.625 bit/s。M為其他數(shù)值時(shí)的QAM調(diào)制方式傳輸速率如表2所示。

表2 主臍帶纜不同進(jìn)制下的上行傳輸速率Table 2 Uplink transmission rates of the umbilical cable under different systems

從表2可以看出，隨著M值的不斷增加，傳輸速率逐漸降低。這是因?yàn)樵谡`碼率要求相同的條件下，單個(gè)碼元攜帶的信息量增加，導(dǎo)致了速率的降低，但卻提高了傳輸?shù)目煽啃?。因此，在設(shè)計(jì)調(diào)制方式的進(jìn)制數(shù)M時(shí)，要衡量好傳輸速率和系統(tǒng)可靠性這兩個(gè)相互矛盾的通信指標(biāo)。

3.2 SDH到SCM之間的場內(nèi)臍帶纜傳輸速率計(jì)算

針對例3的水下結(jié)構(gòu)圖選取表3中距離較遠(yuǎn)的路徑進(jìn)行上行通信仿真，得到了信號(hào)傳輸帶寬，調(diào)制方式采用4QAM，通過式(8)進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)信道的最低傳輸速率，表3中的SEM是水下電子模塊，包含載波通信子系統(tǒng)，是SCM控制模塊中的一部分。

4 結(jié) 語

本文針對南海某水下氣田進(jìn)行了水下載波通信信道特性建模與仿真分析，得到如下結(jié)論：

(1) 信道衰減隨傳輸距離的增加而增大；在同一線路中，信道上行衰減略大于下行衰減。

(2) 信道衰減隨信號(hào)頻率的增加而增大，隨著頻率的變化有電網(wǎng)背景噪聲時(shí)比無電網(wǎng)背景噪聲時(shí)衰減大。

表3 場內(nèi)臍帶纜之間下行通信的傳輸特性Table 3 Transmission characteristic of the downlink communication among infield umbilical cables

(3) UPS的變化對線路噪聲功率變化的影響較小，可不作考慮；傳輸距離的增加會(huì)抬高噪聲峰值點(diǎn)所對應(yīng)頻率前的噪聲功率，但提高后的噪聲功率不會(huì)超過峰值點(diǎn)的數(shù)值；SCM數(shù)量的少量增加不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的背景噪聲功率顯著提高，但會(huì)使噪聲功率隨頻率的變化更加穩(wěn)定。

(4) UPS產(chǎn)生的電網(wǎng)背景噪聲會(huì)使接收端信號(hào)的截止頻率前移，導(dǎo)致帶寬變窄，降低同一頻率下的信號(hào)傳輸速率。

(5) 水下環(huán)境溫度變化對信號(hào)傳輸質(zhì)量的影響可忽略不計(jì)。

(6) 在限定了誤碼率的情況下，傳輸速率隨調(diào)制進(jìn)制數(shù)的增加而降低，但可靠性有所提高。

本文為SPS中的水下載波通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種仿真分析方法，對于工程實(shí)踐具有一定的參考價(jià)值。

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SimulationStudyonPowerLineCarrierCommunicationDesignforSubseaProductionControlSystem

WANG Shu-bin1， LIU Ying1， CAO Hai-liang1, GUO Long-chuan1, WANG Jue2, ZHU Chun-li2, TIAN Jia2

(1.DepartmentofAutomation,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

The normal operation of subsea production control system is closely linked to the safety and reliability of communication system. Power line carrier communication (PLC) model is established with the concept of lumped parameter, and theRLGCmeasured data of an underwater gas field of the South China Sea is introduced into the system. The OrCAD Capture software is used for simulation. Attenuation curves of different transmission paths are obtained. Finally, through limiting the bit error rate, the attainable transmission rate is calculated. In this way, a new method is provided for the communication design of subsea production system.

subsea production system; lumped parameter; power line carrier communication;RLGC; OrCAD Capture software

TN913.6

A

2095-7297(2015)01-0064-08

2015-11-27

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05026-003-01)

王書斌(1977—)，男，講師，主要從事先進(jìn)控制理論與應(yīng)用、安全保護(hù)控制系統(tǒng)及深海油田自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用等方面的研究。