礦用通信電纜衰減特性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

韓 蕾

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)礦山設(shè)備管理中心， 山西 介休 032000）

1 礦用通信電纜衰減測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)器材包括：信號(hào)發(fā)送設(shè)備為YB1605H數(shù)字合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器（輸出阻抗50 Ω，帶寬1 mHz～5 MHz）；測(cè)量采集設(shè)備為HS801五合一綜合測(cè)試儀（輸入阻抗50 Ω，最大采樣速率100 MHz/s）；阻抗匹配器件為雙絞傳輸器（輸入/輸出阻抗 50 Ω/100 Ω，頻率響應(yīng) DC-5 MHz）、100 Ω 純電阻；測(cè)試電纜為安徽省碭山興華電纜有限公司生產(chǎn)的MHYV7/0.37非屏蔽礦用通信電纜（電纜直徑7.5mm，絕緣厚度0.58mm，導(dǎo)體直0.98mm）。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示[1-3]。

圖1 礦用通信電纜衰減測(cè)試系統(tǒng)

為了保證測(cè)試的正確性和有效性，需要考慮測(cè)試設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，需使其與待測(cè)礦用電纜配才能實(shí)現(xiàn)正確的測(cè)量，尤其是信號(hào)發(fā)生器內(nèi)阻較小，該部分影響不可忽略[4]。

信號(hào)發(fā)生器說明手冊(cè)給出接口輸出阻抗是50Ω，為了驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，對(duì)其輸出阻抗進(jìn)行測(cè)試，如圖2所示。Zc為信號(hào)發(fā)生器內(nèi)阻，在輸出端直接連接100 Ω負(fù)載，信號(hào)發(fā)生器輸出直流2 V電壓，測(cè)量到V0=1.32 V，根據(jù)：

圖2 信號(hào)發(fā)生器輸出阻抗測(cè)試

可得Zc=51.5 Ω，因此驗(yàn)證了信號(hào)發(fā)生器輸出阻抗為50 Ω。

2 測(cè)試步驟

1）依照?qǐng)D搭建礦用通信電纜衰減測(cè)試環(huán)境，用函數(shù)發(fā)生器發(fā)送一定電壓幅度的正弦波，用綜合測(cè)試儀測(cè)得A、B兩點(diǎn)間電壓V1（排除雙絞傳輸器引入的衰減）[5]；

2）在1 kHz～5 MHz范圍內(nèi)，改變信號(hào)發(fā)生器發(fā)送正弦波的頻率（幅度保持不變），分別測(cè)得C、D兩點(diǎn)間對(duì)應(yīng)電壓V2；

3 測(cè)試數(shù)據(jù)

3.1 正弦波測(cè)試數(shù)據(jù)

依照 2 節(jié)測(cè)試步驟 1）、2）、3），本文測(cè)試了 10 m、20 m、30 m、40 m和50 mMHYV7/0.37礦用通信電纜的衰減，下頁表1給出了測(cè)試信號(hào)為正弦波的測(cè)試數(shù)據(jù)，可得MHYV7/0.37礦用通信電纜理論上的傳輸衰減，二者的比較結(jié)果如下頁圖3—圖7所示。

3.2 方波測(cè)試數(shù)據(jù)

下頁表2給出了測(cè)試信號(hào)為方波的測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試數(shù)據(jù)與理論傳輸衰減的比較結(jié)果如下頁圖8—圖12所示。

表1 不同長(zhǎng)度MHYV7/0.37礦用通信電纜在不同頻率的衰減值（正弦波） dB

圖3 10 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測(cè)試數(shù)據(jù)的比較

圖4 20 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測(cè)試數(shù)據(jù)的比較

圖5 30 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測(cè)試數(shù)據(jù)的比較

圖6 40 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測(cè)試數(shù)據(jù)的比較

圖7 50 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測(cè)試數(shù)據(jù)的比較

表2 不同長(zhǎng)度MHYV7/0.37礦用通信電纜在不同頻率的衰減值（方波） dB

4 測(cè)試結(jié)果分析

MHYV7/0.37礦用通信電纜的衰減模型HdB（f）與測(cè)試信號(hào)為正弦波的衰減數(shù)據(jù)的比較如圖4—7所示，二者的一致性較好；與測(cè)試信號(hào)為方波的衰減數(shù)據(jù)的比較如下頁圖8—圖12所示，可以看出，測(cè)試數(shù)據(jù)的衰減比衰減模型HdB（f）要大，二者的一致性較之于正弦波測(cè)試數(shù)據(jù)要差一些。根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)公式，方波信號(hào)可以被分解為正弦和余弦函數(shù)的n次諧波。對(duì)于MHYV7/0.37礦用通信電纜上的傳輸?shù)姆讲ㄐ盘?hào)分析時(shí)，可以對(duì)其進(jìn)行分解，變換為多次諧波。由于礦用通信電纜的頻率特性是一個(gè)低通信道，方波信號(hào)通過低通信道時(shí)，等幅衰減通過諧波數(shù)量下降，因此方波測(cè)試信號(hào)的衰減相對(duì)于正弦波測(cè)試信號(hào)的衰減要大，這就解釋了在相同條件下方波測(cè)試信號(hào)與衰減模型的一致性較之于正弦波測(cè)試信號(hào)要差的原因。

通過比較衰減的測(cè)試值和HdB（f）的仿真結(jié)果，可以看出，衰減與線纜的長(zhǎng)度、頻率都有關(guān)系。頻率較低時(shí)，衰減很小，幾乎為0，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型曲線吻合良好。隨著頻率的升高，衰減也隨之增大，衰減在特殊頻點(diǎn)出現(xiàn)波動(dòng)，隨著長(zhǎng)度的增加，信號(hào)衰減隨之增加，衰減出現(xiàn)抖動(dòng)。建立的仿真模型能夠真實(shí)地反應(yīng)礦用通信電纜的衰減特性，當(dāng)傳輸電纜在結(jié)構(gòu)上改變時(shí)，通過改變仿真模型的參數(shù)能夠模擬結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致衰減特性的變化。在建立的衰減模型中，礦用通信電纜的特性阻抗與設(shè)定的100 Ω負(fù)載阻抗Zl，100 Ω信號(hào)源輸出阻抗Zc近似匹配；在實(shí)際的測(cè)試系統(tǒng)中，礦用通信電纜的特性阻抗與100 Ω負(fù)載阻抗，100 Ω雙絞傳輸器輸出阻抗近似匹配。因此，信號(hào)在二者系統(tǒng)中以行駐波狀態(tài)傳輸，傳輸過程中會(huì)出現(xiàn)諧振點(diǎn)，諧振位置與電纜的長(zhǎng)度、傳輸信號(hào)的波長(zhǎng)密切相關(guān)。如線長(zhǎng) /波長(zhǎng) =（2n+1）/4，n=0，1，2，…時(shí)，出現(xiàn)電壓波節(jié)點(diǎn)，即電壓振幅絕對(duì)值最小點(diǎn)，這時(shí)衰減出現(xiàn)一個(gè)波谷點(diǎn)；線長(zhǎng)/波長(zhǎng)=（2n+1）/4，n=0，1，2…時(shí)，出現(xiàn)電壓波腹點(diǎn)，即電壓振幅絕對(duì)值最大點(diǎn)，這時(shí)衰減出現(xiàn)一個(gè)波峰點(diǎn)。

圖8 10 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測(cè)試數(shù)據(jù)的比較

圖9 20 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測(cè)試數(shù)據(jù)的比較

圖10 30 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測(cè)試數(shù)據(jù)的比較

圖11 40 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測(cè)試數(shù)據(jù)的比較

以50 m MHYV7/0.37礦用通信電纜的衰減為例，理論上，在無損耗均勻傳輸線上，在1.5 MHz處出現(xiàn)電壓波節(jié)點(diǎn)，3 MHz處出現(xiàn)電壓波腹點(diǎn)，4.5 MHz處出現(xiàn)電壓波節(jié)點(diǎn)，6 MHz處出現(xiàn)電壓波腹點(diǎn)。由于50 mMHYV7/0.37礦用通信電纜是近似的無損耗均勻傳輸線，因此，電壓波節(jié)點(diǎn)、電壓波腹點(diǎn)在時(shí)間上會(huì)滯后出現(xiàn)，在頻率上表現(xiàn)為提前出現(xiàn)。

圖12 50 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測(cè)試數(shù)據(jù)的比較

5 結(jié)論

對(duì)MHYV7/0.37礦用通信電纜的衰減進(jìn)行了一系列的測(cè)試，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證礦用通信電纜的參數(shù)模型和衰減特性。礦用通信電纜的傳輸性能指標(biāo)主要包括：衰減、插入損耗、信道容量等，這些指標(biāo)與通信的信號(hào)完整性密切相關(guān)。

從圖4—圖7、圖8—圖12中可以看出，波谷點(diǎn)與波峰點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率與理論分析一致。而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型曲線在諧振位置上的偏差是由于試驗(yàn)中測(cè)量誤差造成的，測(cè)量誤差的主要原因是，測(cè)試中使用的信號(hào)源是正弦信號(hào)，傳輸過程中由于線路的不均勻等因素造成線路阻抗的不匹配，從而引起信號(hào)的反射和疊加。