CN106777444A - 一种mvb总线网络传输介质模型设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MVB总线网络传输介质模型的设计方法，包括MVB总线网络传输介质结构数学模型、MVB总线网络传输介质串扰模型及MVB总线网络传输介质电路分布参量模型的设计方法。涉及符合TCN标准的MVB总线网络的一种轨道列车MVB总线网络传输屏蔽双绞线模型的设计，通过建立的模型对MVB总线网络处于高频下传输线的结构变化所引起的二次参数变化进行分析，保持特征阻抗、衰减系数和回波损耗等参数指标的浮动变化，降低了屏蔽双绞线的串扰、传输衰减等，从而保证MVB总线网络传输的可靠性、实时性等。为MVB总线网络应用及其理论研究提供基础平台，缩短研发周期。

Description

一种MVB总线网络传输介质模型设计方法

技术领域

本发明涉及一种MVB(Multifunction Vehicle Bus，MVB)总线网络传输介质模型设计方法，特别是一种MVB总线网络传输屏蔽双绞线模型的设计方法，可用于解决多功能车辆总线网络系统由于屏蔽双绞线串扰、衰减、插入损耗等特性而引起的MVB网络系统的可靠性及实时性下降的问题，为多功能车辆总线网络的应用及其理论研究提供基础平台。

背景技术

多功能车辆总线MVB作为列车通信网络(Train Communication Network，TCN)国际标准之一，传输介质为屏蔽双绞线，传输速率为1.5M bit/s，其具有实时性强、可靠性高和容错性良好等特点，在动车组、地铁列车及城轨车辆等实时性要求较高的工业控制领域中得到了广泛的运用。

随着高速列车的迅速发展，列车通信网络系统中的数据量需求不断增加，因此，为不断提高数据信息能够在高速列车通信网络中高速、完整、实时、可靠的传输成为高速列车网络传输介质研究的关键问题。造成MVB网络传输介质实时性、可靠性等较低的原因主要有：1)所建立的模型较为简化；2)数据传输过程的衰减特性；3)串扰特性对传输数据误码率的影响；4)阻抗不匹配引起的回波损耗；5)端到端传输的时间损耗等情况。

为了提高MVB网络传输介质的可靠性，保证其实时性，进而达到提高MVB网络系统的可靠性，需要对传输介质分布参数及结构进行分析，同时对传输介质的影响因素进行分析。

MVB总线网络关键技术如网络传输介质、网络性能、网络协议、网络通信调度等的研究都离不开模型的建立，MVB网络传输介质的建立是研究MVB网络数据传输特性的基础，对网络性能的优化及系统设计具有十分重要影响。目前对MVB网络的传输介质的模型建立都是针对数值理论的分析，如通过建立RLCG数值模型，对MVB网络总线参数电容、电感等进行计算分析，以及通过解析方法对整数阶和分数阶传输线进行了分析研究，提出了传输线瞬态分析的方法。现有的方法局限于数值理论分析，对于高频下传输线的结构变化对二次参数的影响考虑比较少，以至于特征阻抗、衰减系数和回波损耗等参数指标增大，降低了传输的可靠性、实时性等特点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有局限于数值理论分析的MVB总线网络传输介质建模方法存在的问题，提供一种MVB总线网络传输介质模型的设计方法，本发明以MVB(AWG20)型号的屏蔽双绞线为研究对象，通过建立屏蔽双绞线分布参量、结构及串扰模型对MVB总线网络传输介质进行传输特性分析，并对MVB总线网络传输介质进行布局优化；相对于单一的传输介质模型，所建立模型更加实时可靠。同时所建立的模型不仅降低了屏蔽双绞线的串扰、传输衰减等因素，提高了MVB总线网络的稳定性，同时对环境的噪声及扰动等外界环境因素有较好的抑制作用。

本发明为解决上述问题采用以下技术方案:一种MVB总线网络传输介质模型的设计方法包括MVB总线网络传输介质结构数学模型、MVB总线网络传输介质串扰模型及MVB总线网络传输介质电路分布参量模型的建立。

所述MVB总线网络传输介质结构数学模型通过一次参数（电缆尺寸、介质参数、线径和工作频率等）对二次参数（衰减常数、特性阻抗、回波损耗等）进行数学模型建立，并设计二次参数方程进行传输介质结构数学模型的表述，屏蔽双绞线为星型四线扭绞结构，其中两对双绞线可分别看作一条传输电缆；假设内外屏蔽层为圆柱状一致的，为屏蔽内经，为导体半径，为双线中心距，为导体电阻率，为屏蔽层电阻率，其中；

传输线传播常数的定义为：

由于MVB总线信号传输频率很高，满足，，可得：

则衰减常数为：

式中，分别为介质损耗及导体损耗所导致的衰减常数部分，可以得出二次参数由一次参数决定；

可知由介质损耗所引起的介质损耗为：

根据MVB总线网络传输介质结构数学模型可知一次参数微小段电阻值为：

其中导体的表面电阻率为：，屏蔽层电阻率为：，为介质厚度，为频率；

波阻特性值为：

将，，代入上式可以进一步简化为：

可得介质损耗所引起的介质损耗为：

由导体损耗所导致的衰减部分为：

则得到MVB总线网络屏蔽双绞传输线总衰减为：

总衰减可表示为：

由MVB总线电缆的衰减常数，可以得出MVB双绞传输线的衰减特性取决于屏蔽双绞线的长度、线径、电阻率、频率等参数。

所述MVB总线网络传输介质串扰模型为了解决屏蔽双绞线的非均匀性及微分方程求解难的问题，通过采用双端口ABCD网络模型，建立电压及电流参数分布方程为：

通过屏蔽双绞线的电压及电流参数分布确立其分布方程为：

式中为ABCD参数矩阵，为置换矩阵，参数矩阵为：

式中为传输线的特性阻抗，为传输线传播常数，置换矩阵为：

根据IEC标准，MVB电缆每米的绞数不应小于12；则取每米绞数为12，并假设MVB传输电缆为 m，则共有个绞环，通过引入置换矩阵可得长度为 m双绞线的ABCD参数矩阵为：

因此，MVB总线电缆的电压及电流参数分布方程为：

可得串扰电压为：

上式中为负载阻抗，通过串扰电压与电源电压的比值对屏蔽双绞线的抗干扰能力进行分析。

所述MVB总线网络传输介质电路参量模型为了计算方便将由两根线缆绞合而成的非均匀双绞线看作均匀的传输线进行等效处理，即将双绞线分割成许多微元段，每个微元段可看作集中参数电路，用一个型网络来等效，则整个双绞线电缆可等效成按特定方式将多个型网络的级联，根据电路定理得出微元段上的电压电流关系：

为了具有更为普遍的意义，设信源角频率为，线上电压及电流皆为正弦时变规律，则

对两端的求导带入上式并令可得微分方程组为：

其中为单位长度线缆的阻抗，为单位长度线缆的导纳，对上式两端对进行求导，得到：

可求得上式通解为

如果已知信源电压及电流分别为时，可得：， ，将和的值带入通解，则可求出双绞线处电压值为：，电流值为：；

同理，已知负载端电压及电流为，时，设传输线长度为，可求得双绞线线上任意位置的电压值为：，电流值为：；

通过以上对屏蔽双绞线等效电路的分析，可通过信源或者负载电压电流进行双绞线上任意处电压及电流的确定，然后通过串扰模型对传输双绞线串扰分析。

与现有构建MVB网络总线网络传输介质建模的设计方法相比，本发明具有以下优点：

本发明涉及符合TCN标准的MVB网络控制系统的本发明涉及一种MVB总线网络传输介质模型设计方法，特别是一种MVB总线网络传输屏蔽双绞线模型的设计方法，通过所建立模型对MVB总线网络处于高频下传输线的结构变化所引起的二次参数变化进行分析，保持特征阻抗、衰减系数和回波损耗等参数指标的浮动变化，降低了屏蔽双绞线的串扰、传输衰减等，从而保证传输的可靠性、实时性等。为MVB总线网络应用及其理论研究提供基础平台，缩短研发周期。

附图说明

图1为本发明的MVB传输介质结构数学模型结构示意图。

图2为本发明的MVB总线网络传输介质串扰模型结构示意图。

图3为本发明的MVB总线网络传输介质电路参量模型结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，如图1所示，一种MVB总线网络传输介质结构数学模型横截面结构示意图，其为星型四线扭绞结构，包括传输线1、传输线2、传输线3、传输线4，传输线1、2、3、4外部结构为屏蔽层6，传输线1、2通过扭绞可看作一条传输线7，传输线3、4通过扭绞可看作一条传输线8，外部由屏蔽层5构成；假设内外屏蔽层5、6为圆柱状一致的，为屏蔽内径，为导体半径，为双线中心距，为导体电阻率， 为屏蔽层电阻率，其中；传输线传播常数的定义为：

由于MVB总线信号传输频率很高，满足，可得：

则衰减常数为：

式中，分别为介质损耗及导体损耗所导致的衰减常数部分，可以得出二次参数由一次参数决定；

可知由介质损耗所引起的介质损耗为：

根据MVB总线网络传输介质结构数学模型可知一次参数微小段电阻值为：

其中导体的表面电阻率为：，屏蔽层电阻率为：，为介质厚度，为频率；

波阻特性值为：

将，，代入上式可以进一步简化为：

可得介质损耗所引起的介质损耗为：

由导体损耗所导致的衰减部分为：

则得到MVB总线网络屏蔽双绞传输线总衰减为：

总衰减可表示为：

由MVB总线电缆的衰减常数，可以得出MVB双绞传输线的衰减特性取决于屏蔽双绞线的长度、线径、电阻率、频率等参数。

如图2所示，一种MVB总线网络传输介质串扰模型结构示意图，将屏蔽双绞线看作一对长度为的均匀的线对，其中代表绞线对上的位置，对应位置处的电压及电流，对间的串扰电压进行分析，其中传输线11与传输线10扭绞如图2所示，外部为屏蔽层9；为了解决屏蔽双绞线的非均匀性及微分方程求解难的问题，通过采用双端口ABCD网络模型，建立电压及电流参数分布方程为：

通过屏蔽双绞线的电压及电流参数分布确立其分布方程为：

式中为ABCD参数矩阵，为置换矩阵，参数矩阵为：

式中为传输线的特性阻抗，为传输线传播常数，置换矩阵为：

根据IEC标准，MVB电缆每米的绞数不应小于12；则取每米绞数为12，并假设MVB传输电缆为 m，则共有个绞环，通过引入置换矩阵可得长度为 m双绞线的ABCD参数矩阵为：

因此，MVB总线电缆的电压及电流参数分布方程为：

可得串扰电压为：

上式中为负载阻抗，通过串扰电压与电源电压的比值对屏蔽双绞线的抗干扰能力进行析。

如图3所示，一种MVB总线网络传输介质电路参量结构示意图，为了计算方便将由两根线缆绞合而成的非均匀双绞线12、13看作均匀的传输线进行等效处理，即将双绞线分割成许多微元段，每个微元段可看作集中参数电路，用一个型网络14、15来等效，则整个双绞线电缆可等效成按特定方式将多个型网络的级联，根据电路定理得出微元段上的电压电流关系：

为了具有更为普遍的意义，设信源角频率为，线上电压及电流皆为正弦时变规律，则

对两端的求导带入上式并令，可得微分方程组为：

其中为单位长度线缆的阻抗，为单位长度线缆的导纳，对上式两端对进行求导，得到：

可求得上式通解为

;

如果已知信源电压及电流分别为时，可得：， ，将和的值带入通解，则可求出双绞线处电压值为：，电流值为：；

同理，已知负载端电压及电流为，时，设传输线长度为，可求得双绞线线上任意位置的电压值为： ，电流值为：；

通过以上对屏蔽双绞线等效电路的分析，可通过信源或者负载电压电流进行双绞线上任意处电压及电流的确定，然后通过串扰模型对传输双绞线串扰分析。

本发明通过对MVB屏蔽双绞线电缆结构及其等效电路的研究，建立了屏蔽双绞线的结构模型、串扰模型及数值参量模型，基于模型对传输线的衰减特性、线对间的串扰等特性进行了分析；本发明利用所构建的仿真模型可以比较准确的对衰减、串扰进行仿真、分析及对比，研究分析长度、线径等一次参数的变化对MVB总线网络衰减、串扰等特性参数影响，使得特性指标的裕量值增加。

Claims (4)

1.一种MVB总线网络传输介质模型的设计方法，包括MVB总线网络传输介质结构数学模型、MVB总线网络传输介质串扰模型及MVB总线网络传输介质电路分布参量模型的设计方法。

2.根据权利要求1所述的一种MVB总线网络传输介质模型的设计方法，其特征在于：所述MVB总线网络传输介质结构数学模型通过一次参数（电缆尺寸、介质参数、线径和工作频率等）对二次参数（衰减常数、特性阻抗、回波损耗等）进行数学模型建立，并设计二次参数方程进行传输介质结构数学模型的表述，屏蔽双绞线为星型四线扭绞结构，包括传输线1、传输线2、传输线3、传输线4，传输线1、2、3、4外部结构为屏蔽层6，传输线1、2通过扭绞可看作一条传输线7，传输线3、4通过扭绞可看作一条传输线8，外部由屏蔽层5构成；假设内外屏蔽层5、6为圆柱状一致的，为屏蔽内经，为导体半径，为双线中心距，为导体电阻率，为屏蔽层电阻率，其中；

传输线传播常数的定义为：

由于MVB总线信号传输频率很高，满足，，可得：

则衰减常数为：

式中，分别为介质损耗及导体损耗所导致的衰减常数部分，可以得出二次参数由一次参数决定；

可知由介质损耗所引起的介质损耗为：

根据MVB总线网络传输介质结构数学模型可知一次参数微小段电阻值为：

其中导体的表面电阻率为：，屏蔽层电阻率为：，为介质厚度，为频率；

波阻特性值为：

将，，代入上式可以进一步简化为：

可得介质损耗所引起的介质损耗为：

由导体损耗所导致的衰减部分为：

则得到MVB总线网络屏蔽双绞传输线总衰减为：

总衰减可表示为：

由MVB总线电缆的衰减常数，可以得出MVB双绞传输线的衰减特性取决于屏蔽双绞线的长度、线径、电阻率、频率等参数。

3.根据权利要求1所述的一种MVB总线网络传输介质模型的设计方法，其特征在于：所述MVB总线网络传输介质串扰模型将屏蔽双绞线看作一对长度为的均匀的线对，其中代表绞线对上的位置，对应位置处的电压及电流，对间的串扰电压进行分析，其中传输线11与传输线10扭绞如图2所示，外部为屏蔽层9；为了解决屏蔽双绞线的非均匀性及微分方程求解难的问题，通过采用双端口ABCD网络模型，建立电压及电流参数分布方程为：

通过屏蔽双绞线的电压及电流参数分布确立其分布方程为：

式中为ABCD参数矩阵，为置换矩阵，参数矩阵为：

式中为传输线的特性阻抗，为传输线传播常数，置换矩阵为：

根据IEC标准，MVB电缆每米的绞数不应小于12；则取每米绞数为12，并假设MVB传输电缆为 m，则共有个绞环，通过引入置换矩阵可得长度为 m双绞线的ABCD参数矩阵为：

因此，MVB总线电缆的电压及电流参数分布方程为：

可得串扰电压为：

上式中为负载阻抗，通过串扰电压与电源电压的比值对屏蔽双绞线的抗干扰能力进行分析。

4.根据权利要求1所述的一种MVB总线网络传输介质模型的设计方法，其特征在于：所述MVB总线网络传输介质电路参量模型为了计算方便将由两根线缆绞合而成的非均匀双绞线12、13看作均匀的传输线进行等效处理，即将双绞线分割成许多微元段，每个微元段可看作集中参数电路，用一个型网络14、15来等效，则整个双绞线电缆可等效成按特定方式将多个型网络的级联，根据电路定理得出微元段上的电压电流关系：

为了具有更为普遍的意义，设信源角频率为，线上电压及电流皆为正弦时变规律，则

对两端的求导带入上式并可得微分方程组为：

其中为单位长度线缆的阻抗，为单位长度线缆的导纳，对上式两端对进行求导，得到：

可求得上式通解为

如果已知信源电压及电流分别为时，可得：， ，将和的值带入通解，则可求出双绞线处电压值为：，电流值为：；

同理，已知负载端电压及电流为，时，设传输线长度为，可求得双绞线线上任意位置的电压值为：，电流值为：；

通过以上对屏蔽双绞线等效电路的分析，可通过信源或者负载电压电流进行双绞线上任意处电压及电流的确定，然后通过串扰模型对传输双绞线串扰分析。