CN105610467A - 一种被复线信道建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被复线信道建模方法，已知符合AWG线规的#24和#26型双绞线单位长度的RLCG参数后，求解一定长度L和一定频率f条件下的传输常数和特性阻抗，继续推导，得到双端口网络的ABCD参数，双端口网络的ABCD参数，匹配状态下，根据双端口网络的ABCD参数，得到双绞线的传递函数；采用实测的方法得到长度为λ/4、三种型号的被复线在不同频率下的传递函数值；通过判定实测得到的三种型号被复线的传递函数值的曲线与AWG#24和AWG#26这两种标准双绞线这两者中的哪一个更相近，将实测得到的传递函数值与计算得到的电气参数值进行拟合，得到的就是该种型号的被复线对应的传递函数曲线。本发明在构建出符合实际被复线特性的信号模型方面，具有比较高的准确度和较高的实用价值。

Description

一种被复线信道建模方法

技术领域

本发明涉及双绞线信道建模技术，特别是涉及被复线的信道传递函数建模以及试验验证及参数校正方法。

背景技术

被复线作为是双绞线的一种，是野战有线电通信的关键传输媒介，在音频和数字通信等领域具有广泛应用。用被复线来组建野战网，具有操作简单、性能稳定、机动灵活、取材方便、成本低廉的优点，能够承担高寒山地野战指挥的任务。为了及时的对不同型号、不同长度的被复线传输性能做出一个比较准确的预测，需要找到一种合适的方法对被复线信道传递函数进行求解。

RLCG参数法采用电阻R、电感L、电容C以及电导G这四个电气参数和电报方程来描述双绞线的传输特性。采用RLCG参数法对符合AWG线规的#24和#26型号的双绞线信道模型进行求解，这种方法对于双绞线的信道建模具有普遍的指导意义，是普遍适用的。但是不同规格的双绞线在电气参数和传递函数方面是不同的，而这些参数需要经过比较精确的测量来确定，所确立的信道模型才具有实际使用价值。

发明内容

针对上述的现有技术及存在的问题，本发明提出了一种被复线信道建模方法，通过RLCG参数法构建被复线信道模型，并通过比较精确的实测方法得到TGE-701、TGE-706和TGE-707这三种被复线的电气参数值和传递函数值，将通过模型计算得到的结果和实测得到的结果进行拟合，对模型进行修正，以得到更加精确的被复线信道模型。

本发明提出了一种被复线信道建模方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、已知符合AWG线规的#24和#26型双绞线单位长度的RLCG参数后，根据以下公式求解一定长度L和一定频率f条件下的传输常数和特性阻抗：

传输常数为：

$\mathrm{\γ}=\mathrm{\α}+j\mathrm{\β}=\sqrt{(R+j\mathrm{\ω}L)(G+j\mathrm{\ω}C)}$

特性阻抗为：

$Z_0=\sqrt{\frac{R+j\mathrm{\ω}L}{G+j\mathrm{\ω}C}}$

继续推导，得到双端口网络的ABCD参数，双端口网络的ABCD参数为：

$\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cosh \left(\mathrm{\γ}L\right)& Z_0\sinh \left(\mathrm{\γ}L\right)\\ \frac{Sinh\left(\mathrm{\γ}L\right)}{Z_0}& \cosh \left(\mathrm{\γ}L\right)\end{array}\right]$

匹配状态下，根据双端口网络的ABCD参数，得到符合AWG线规的标准双绞线的传递函数值为：

$T=\frac{Z_L}{{\mathrm{AZ}}_L+B}=\frac{Z_L}{\cosh \left(\mathrm{\γ}L\right)Z_L+Z_0\sinh \left(\mathrm{\γ}L\right)}$

其中，γ表示传输常数(跟双绞线长度有关)，α表示衰减常数、表征线路对信号产生的衰减作用的大小，β表示相移常数、表征线路对信号产生的相移作用，R表示单位长度(即每千米)双绞线的电阻值，L表示单位长度双绞线的电感值，G表示单位长度双绞线的电导值，C表示单位长度双绞线的电容值，ω表示传输信号的频率的弧度值，Z₀表示特性阻抗(跟双绞线长度无关)， $\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]$ 表示双端口网络参数，T表示传输线的传递函数值，Z_L表示负载阻抗值；

步骤2、采用实测的方法得到长度为λ/4、型号分别为TGE-701、TGE-706、TGE-707的被复线在不同频率下的传递函数值；

步骤3、通过判定步骤2中实测得到的三种型号被复线的传递函数值的曲线与AWG#24和AWG#26这两种标准双绞线这两者中的哪一个更相近，将实测得到的传递函数值与计算得到的电气参数值进行拟合，得到的就是该种型号的被复线对应的传递函数曲线。

所述采用实测的方法得到长度为λ/4、型号分别为TGE-701、TGE-706、TGE-707的被复线在不同频率下的传递函数值的步骤，具体包括以下步骤：

构建匹配网络，所述匹配网络满足：在网络分析仪输出端口和被复线的输入端口出应该实现50Ω到135Ω的匹配，在被复线的输出端口和网络分析仪的输入端口，应该实现135Ω到50Ω的匹配的要求；。

进行矢量网络分析仪校准；

进行λ/4长度被复线散射参数值测量。

与现有技术相比，本发明通过上述对λ/4长度的被复线传递函数值进行测量，可以通过不同的方面进行实测得到被复线的信道特性，用来对所构建的基于AWG线规的#24和#26型号的双绞线传递函数进行校正，从而构建出符合实际被复线特性的信号模型，具有比较高的准确度和较高的实用价值。

附图说明

图1为电阻匹配网络；

图2为本发明的一种被复线信道建模方法的整体流程图。

具体实施方式

经过分析认为，TGE-701、TGE-706和TGE-707这三种型号的军用被复线是以#24和#26两种标准双绞线形成的，只是由于覆盖物有差异，导致电气参数和传递函数会有所变化，但是可以用标准双绞线的数值进行拟合得到较为准确的结果。

对本方案的具体实施作进一步的描述如下：

采用RLCG参数法求解符合AWG线规的#24和#26型双绞线单位长度的电气参数值R₀、L₀、C₀、G₀(分别代表单位长度(每千米)双绞线的电阻值、电感值、电容值、电导值)；以及在不同的传输信号的频率频率和长度条件下的传递函数值：

$T=\frac{Z_L}{{\mathrm{AZ}}_L+B}=\frac{Z_L}{\cosh \left(\mathrm{\γ}L\right)Z_L+Z_0\sinh \left(\mathrm{\γ}L\right)}$

当实际频率高于音频时，这几个电气参数值要随着频率改变而改变，所以首先要知道R、L、C、G四个参数随频率f的变化情况，即数值模型。根据R、L、C、G参数，可以推导出线路的传输常数γ和特性阻抗Z₀，继而推导出双绞线双口网络的ABCD参数，根据ABCD参数即可得到线路的传输函数。当线路的负载Z_L等于特性阻抗Z₀时线路匹配，得到的传输函数值最大，因此要得到的是匹配时的传输函数。单位长度双绞线的电气参数计算公式为：

R、L、C、G计算的数值模型为：

$R\left(f\right)=\sqrt[4]{{r_{oc}}^4+{\mathrm{\α}}_c{f}^2}$

$L\left(f\right)-\frac{l_0+l_{\mathrm{\∞}}{\left(\frac{f}{f_m}\right)}^b}{1+l_{\mathrm{\∞}}{\left(\frac{f}{f_m}\right)}^b}$

G(f)＝g₀f^gc

C(f)＝C_∞

该公式适用于#24和#26双绞线，不同双绞线的参数值不同。

其中，r_OC表示每千米双绞线的直流电阻，α_OC表示趋肤效应中阻抗随频率变化的参数，l₀表示每千米双绞线的直流电感值、l_∞表示每千米双绞线通过高频交流电时的电感值，f_m表示临界频率，b表示趋肤效应中电感值随频率变化的参数，g₀表示每千米双绞线的直流电导值、g_C表示每千米双绞线电导值随频率变化的衰减常数、C_∞表示每千米双绞线通过高频交流电时的电容值，f表示传输信号的频率。

这几个参数都是随着双绞线型号的不同而变化的，本发明采用符合AWG线规的#24和#26两种标准双绞线的上述参数进行建模，在模型基础上，根据实测结果进行拟合。#24和#26双绞线的电气参数如表1所示。

表1、AWG线规#24和#26型号双绞线电气参数

根据传输线理论，已知单位长度的RLCG参数后，可以根据以下公式求解一定长度L和一定频率f条件下的传输常数和特性阻抗，继续推导可以得到双端口网络的ABCD参数，根据双端口网络的ABCD参数即可得到双绞线的传递函数值。

传输常数为：

$\mathrm{\γ}=\mathrm{\α}+j\mathrm{\β}=\sqrt{(R+j\mathrm{\ω}L)(G+j\mathrm{\ω}C)}$

特性阻抗为：

$Z_0=\sqrt{\frac{R+j\mathrm{\ω}L}{G+j\mathrm{\ω}C}}$

双端口网络的ABCD参数为：

$\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cosh \left(\mathrm{\γ}L\right)& Z_0\sinh \left(\mathrm{\γ}L\right)\\ \frac{Sinh\left(\mathrm{\γ}L\right)}{Z_0}& \cosh \left(\mathrm{\γ}L\right)\end{array}\right]$

匹配状态下，即Z_L＝Z₀时，得到双绞线的传递函数为：

$T=\frac{Z_L}{{\mathrm{AZ}}_L+B}=\frac{Z_L}{\cosh \left(\mathrm{\γ}L\right)Z_L+Z_0\sinh \left(\mathrm{\γ}L\right)}$

其中，γ表示传输常数(跟双绞线长度有关)，α表示衰减常数、表征线路对信号产生的衰减作用的大小，β表示相移常数、表征线路对信号产生的相移作用，R表示单位长度(即每千米)双绞线的电阻值，L表示单位长度双绞线的电感值，G表示单位长度双绞线的电导值，C表示单位长度双绞线的电容值，ω表示传输信号的频率的弧度值，Z₀表示特性阻抗(跟双绞线长度无关)，表示双端口网络参数，T表示传输线的传递函数值，Z_L表示负载阻抗值，cosh表示双曲余弦函数，sinh表示双曲正弦函数，j表示虚部。

通过上述的步骤，即可得到符合AWG线规的标准双绞线的电气参数和传递函数值。

然后采用实测的方法得到长度为λ/4、型号分别为TGE-701、TGE-706、TGE-707的被复线在不同频率下的传递函数值，将实测得到的传递函数值与计算得到的电气参数值进行拟合，对计算公式中的参数进行校正。由于在实际的测量中需要考虑到匹配等问题，才能保证实际测量值比较精确，实测的具体实施步骤如下：

步骤一：构建匹配网络。

在传输线测试方案中，传递函数值指的是源端、传输线以及终端负载阻抗匹配时的传输特性，如果出现不匹配的情况，失配就会导致反射而出现能量的损耗，所测量得到的传递函数数值描述的也并非传输线的真实传输特性。测量所使用的网络分析仪输出接口和输入接口采用的都是SMA接口，特性阻抗为50Ω，而被复线的特性阻抗约为135Ω，因此，在网络分析仪输出端口和被复线的输入端口出应该实现50Ω到135Ω的匹配，在被复线的输出端口和网络分析仪的输入端口，应该实现135Ω到50Ω的匹配。采用如图1所示用电阻实现的的阻抗匹配网络，采用如下公式对电阻值进行计算：

$R_1=\frac{Z_1(L_{min}+1)-2\sqrt{Z_1{Z}_2{L}_{min}}}{L_{\min }-1}$

$R_2=\frac{Z_2(L_{\min }+1)-2\sqrt{Z_1{Z}_2{L}_{\min }}}{L_{\min }-1}$

$R_3=\frac{2\sqrt{Z_1{Z}_2{L}_{\min }}}{L_{\min }-1}$

$L_{\min }=\frac{2Z_1}{Z_2}+2\sqrt{\frac{Z_1}{Z_2}(\frac{Z_1}{Z_2}-1)}-1$

计算得R₁＝107.1214Ω，R₂＝0Ω，R₃＝63.0129Ω。

步骤二：矢量网络分析仪校准。

在使用矢量网络分析仪时，必须在没有加入负载的情况下采用校准件对其进行校准，得到的测量结果才是比较准确的。在本实验方案中，需要在电阻阻抗网络之后加入校准件进行校准。

步骤三：λ/4长度被复线散射参数值测量

利用步骤一和二中经过阻抗匹配和校准后的网络分析仪，可以对λ/4长度的被复线直接测量得到被复线单端口散射参数值，利用此数值可以推导出被复线的传递函数值。该数值可以用来与RLCG模型计算得到的数值进行比较和拟合，从而对所购建的信道模型进行更精确的校正。

步骤四：结果拟合

利用步骤三中实际测量得到的被复线的传递函数值，与RLCG模型计算得到的传递函数值进行比较、拟合和校正。

这样，通过上述对λ/4长度的被复线传递函数值进行测量，可以通过不同的方面进行实测得到被复线的信道特性，用来对所构建的基于AWG线规的#24和#26型号的双绞线传递函数进行校正，从而构建出符合实际被复线特性的信号模型，具有比较高的准确度和较高的实用价值。

Claims (2)

1.一种被复线信道建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤(1)、已知符合AWG线规的#24和#26型双绞线单位长度的RLCG参数后，根据以下公式求解一定长度L和一定频率f条件下的传输常数和特性阻抗：

传输常数为：

$\mathrm{\γ}=\mathrm{\α}+j\mathrm{\β}=\sqrt{(R+j\mathrm{\ω}L)(G+j\mathrm{\ω}C)}$

特性阻抗为：

$Z_0=\sqrt{\frac{R+j\mathrm{\ω}L}{G+j\mathrm{\ω}C}}$

继续推导，得到双端口网络的ABCD参数，双端口网络的ABCD参数为：

$\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cosh \left(\mathrm{\γ}L\right)& Z_0\sinh \left(\mathrm{\γ}L\right)\\ \frac{Sinh\left(\mathrm{\γ}L\right)}{Z_0}& \cosh \left(\mathrm{\γ}L\right)\end{array}\right]$

匹配状态下，根据双端口网络的ABCD参数，得到符合AWG线规的标准双绞线的传递函数值为：

$T=\frac{Z_L}{{\mathrm{AZ}}_L+B}=\frac{Z_L}{\cosh \left(\mathrm{\γ}L\right)Z_L+Z_0\sinh \left(\mathrm{\γ}L\right)}$

γ表示传输常数，α表示衰减常数，β表示相移常数，R表示单位长度双绞线的电阻值，L表示单位长度双绞线的电感值，G表示单位长度双绞线的电导值，C表示单位长度双绞线的电容值，ω表示传输信号的频率的弧度值，Z₀表示特性阻抗， $\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]$ 表示双端口网络参数，T表示传输线的传递函数值，Z_L表示负载阻抗值；

步骤(2)、采用实测的方法得到长度为λ/4、型号分别为TGE-701、TGE-706、TGE-707的被复线在不同频率下的传递函数值；

步骤(3)、通过判定步骤(2)中实测得到的三种型号被复线的传递函数值的曲线与AWG#24和AWG#26这两种标准双绞线这两者中的哪一个更相近，将实测得到的传递函数值与计算得到的电气参数值进行拟合，得到的就是该种型号的被复线对应的传递函数曲线。

2.如权利要求1所述的一种被复线信道建模方法，其特征在于，所述采用实测的方法得到长度为λ/4、型号分别为TGE-701、TGE-706、TGE-707的被复线在不同频率下的传递函数值的流程，具体包括以下步骤：

构建匹配网络，所述匹配网络满足：在网络分析仪输出端口和被复线的输入端口出应该实现50Ω到135Ω的匹配，在被复线的输出端口和网络分析仪的输入端口，应该实现135Ω到50Ω的匹配的要求；

进行矢量网络分析仪校准；

进行λ/4长度被复线散射参数值测量。