用于油井6kV高压线载波通信的耦合单元研究

宋业生 初秀琴 杨伟兵 胡龙京

摘要：耦合方式此前只能用于低速、大幅值数据信号传输。本文设计了一种新型电力线载波通信耦合单元，以Motorola MC56F805 DSP芯片为核心，运用了耦合技术和扩频技术原理，以保证电力安全、高速传输、可靠通信。該系统可用于油井6kV电力线载波通信。

关键词：电力线载波

扩频通信

中图分类号：TN913文献标识码：A文章编号：1672-3791(2012)02(a)-0021-02

电力线载波(Power Line Carrier，PLC)通信，利用电力线进行数据传输，其优点是：电力线用作数据总线和控制总线，不需要再额外铺设线路，利用现有的电力线将各控制器与各功能接口和设备相连，实现程序控制和高速数据的传输。近年来电力线载波通信技术已进入了数字化时代，随着社会需要的不断增加，其发展前景相当可观。

电力线通信技术同样可以应用在油田的测井系统中，这里使用的是电潜泵电机动力线。其基本思路是：每口井均有多个井下传感器和一个主机，传感器采集数据，然后用动力线发生给主机。

目前35kV、110kV高压电力线上的语音通信、远动系统已经非常成熟，380V、220V低压上的数字通讯已进入试用阶段，但是在城网高压10kV配电网上的难度比较大。油田6kV采油电力网比城网高压通信条件更差，但应看到潜在的经济价值很可观，因此对采油电力网的研究虽然有很大的困难，但还有更明显的实用意义。耦合方式以前只能用于低速、大幅值数据信号传输，本文以Motorola MC56FS05 DSP芯片为核心，运用了耦合技术和扩频技术，设计出一种可用于油井6kV电力线载波通信的耦合单元，以提高数据传输速度。

1设计原理

电力线作为传输介质，也就成为了网络通信的一部分。网络的分层结构有两个重要体系，OSI参考模型和TCP／IP参考模型。这两个模型都是基于独立的协议栈概念，层定义非常类似，只是TCP／IP模型没有物理层(Physical Layer)和数据链路层(Data Link Layer)，如图1所示。

本文主要针对电力线载波的底层，即设计和实现相当于OSI参考模型的物理层和数据链路层。物理层必须考虑电力线的传输特点。而数据链路层则是要准确无误地把数据帧从一端发到另一端。

电力线载波通信的物理层有：载波调制、电力线信号耦合、扩频调制和多路载波的数据调制。数据链路层则为介质访问控制层。无线和有线通信中的编码、调制解调、纠错技术被充分借鉴，结合有线通信中的多载波技术和无线通信中的扩频技术，从而实现电力线载波高速通信，即：电力线载波=多路载波+扩频(直序和跳频)，如图2所示。

多载波调制、扩频调制和载波调制数据链路层的帧在物理层转变成比特流。首先，数据帧经过多载波调制。要发送的数据流，经过串／并转换器(S／P，Serial／Parallel)，串行输入的比特流就变成了多个(比如n个)并行的比特流，一个符号包含n个比特，这n个比特可视为n阶向量；接着将这n阶向量通过一个正交序列单元(M单元)映射给一个高阶(m阶，m>n)完备正交集，成为它的一个向量；然后再利用序列调制(FHT)将多个载波进行相加。

正交集矩阵中的walsh函数在同步条件下具有理想的互相关特性。虽然电力线信道中不存在多径信道产生的多径时延，但是信道干扰还是很大，因此Walsh函数的互相关特性就变得很恶劣，这会导致系统性能急剧下降。

因此经过多载波调制的信号将用伪随机(Pseudo Noise，PN)扩频序列进行扩频处理，该PN序列不仅可以实现码分多址(CDMA)，还可以用于多码(Multi-Code)CDMA。多码CDMA被归为并行CDMA技术，它还包括多载波(MC，Multi-Carrier)CDMA系统。多载波CDMA可用于在衰落信道的高数据率传输和有效克服符号内干扰、多径衰落，但是载波相位抖动很容易干扰它，而多码CDMA则可以较好地避免这一点。多码CDMA在这里被采用就是因为电力线信道阻抗特性会干扰载波相位。

载波调制则是将输入的比特流转换成信号波形以方便在信道上传送。离散多音频(Discrete Multi-Tone，DMT)调制比起正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)和无载波振幅相位调制(CarrierlessAmplitude Phase Modulation，CAP)更为适合高速率数据传输。DMT是非对称数字用户线路(Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL)的DMT版本和超高速数字用户线路(Very High Speed Digital Subscriber Line，VDSL)的一些多载波版本的基础。它是建立在QAM的一些思想上，假设存在多个星座图编码器。每个编码器接收一列数据比特流。编码器的输出值仍为正弦波和余弦波幅度；然而每个编码器分别使用不同的正弦波和余弦频率。所有的正弦波和余弦波被加在一起成为一个简单的DMT码元，并通过信道发送出去。

不同频率上的正弦波和余弦波在接收机端被分离出来，并对每个波形序列进行独立解码，由解码器输出比特流。由于在上面的扩频调制中，采用了正交扩频码多码CDMA调制，使各个载波均具有较好的正交性。因此，每个编码器的正弦波和余弦波频率不要求是某个公共频率的整数倍，以及码元周期是公共频率的倒数。

由于电力线上的衰减和干扰很大，所以很难直接检测和提取载波信号。采用频谱相关检测，直接计算接收载波信号的频谱相关密度；或者是先与本地参考信号相乘，再计算频谱相关密度，可获得在极低的信噪比条件下的信号检测能力。采用预测P的持续载波侦听多路访问(Predictive P－Persistant CSMA)介质控制方式。

2硬件设计

控制器为MC56F805(DSP)，把有线通信的多载波技术和无线通信的扩频技术结合，采用电力线高速通信耦合技术，用DSP内置的12bit ADC，使用其中2路差分采样耦合器输出端的电压，用DSP内置的1 5bitPWM，输出载波信号。

3软件描述

主程序是一个循环执行的程序，包括系统初始化程序、常规检测程序、调整软定时器、执行应用程序、实现串行接口通信协议、实现通信协议。主流程图如图3所示。

4结语

本文报道了基于扩频技术的电力线载波通信耦合单元。实践证明，该耦合单元可有效改善信号衰减特性和干扰特性，使油田6kV高压电力载波实用化。

参考文献

[1]洪利，油田采油高压线载波通信[J]，油气田地面工程，2003(12)：35