基于單饋線的電力、射頻及多信號(hào)同時(shí)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

摘 要：傳統(tǒng)電力載波通信（PLC）一般用于實(shí)現(xiàn)在較大功率的電力傳輸線上同時(shí)進(jìn)行較小功率的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸。現(xiàn)論述主要用于短波/超短波通信系統(tǒng)中的電源與射頻、數(shù)字控制信號(hào)共用單根射頻饋線進(jìn)行混合傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)原理、方案，以及單饋線上數(shù)字信號(hào)調(diào)制解調(diào)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)勿伨€傳輸；信道復(fù)用；頻分復(fù)用

中圖分類號(hào)：TM46" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）06-0010-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.06.003

0" " 引言

單饋線傳輸即在一條傳輸線上通過(guò)頻分復(fù)用（FDM）或時(shí)分復(fù)用（TDM）等信道復(fù)用方式，實(shí)現(xiàn)電力電能以及控制信令類信號(hào)同時(shí)通過(guò)單線路傳輸。有別于當(dāng)前研究較多的電力線載波傳輸（PLC）以及常用于傳感器使用的單總線（1-wire）等方式，本文的論述側(cè)重點(diǎn)在于通過(guò)射頻電纜實(shí)現(xiàn)在中短距離（10～100 m）內(nèi)，將擬射頻信號(hào)、電力電能和數(shù)字信號(hào)同時(shí)傳輸?shù)膯勿伨€傳輸實(shí)現(xiàn)方案。此方案主要應(yīng)用場(chǎng)景為射頻功率在1 kW以內(nèi)的短波（HF）/超短波（VHF）等系統(tǒng)的天線調(diào)諧器、有源天線等設(shè)備。由于使用的饋線為射頻電纜（同軸線），其抗干擾性和對(duì)外輻射水平等電磁兼容性能以及工程布設(shè)成本、難度相對(duì)于一般多饋線傳輸方式有較大優(yōu)勢(shì)。

1" " 實(shí)現(xiàn)原理和模型

1.1" " 信道復(fù)用方式選擇

要使多個(gè)信號(hào)互不干擾、同時(shí)傳輸，可以通過(guò)時(shí)分復(fù)用（不同時(shí)間傳輸）、獨(dú)立信道（不同空間傳輸）、頻分復(fù)用（不同頻率傳輸）等方式進(jìn)行[1]。本文論述為單饋線傳輸，即要求使用共用的空間信道（傳輸饋線）的復(fù)用方式。由于無(wú)線傳輸?shù)姆绞诫y以在損耗下傳輸大功率信號(hào)，而時(shí)分復(fù)用的方式無(wú)法傳輸連續(xù)不間斷的信號(hào)，不滿足當(dāng)前傳輸較大功率的連續(xù)電力和射頻信號(hào)的需求，因而也并不適用于本案。因此，只能選擇頻分復(fù)用的傳輸方式，信號(hào)通過(guò)不同頻率進(jìn)行同時(shí)傳輸。

頻分復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)在于每種信號(hào)可獨(dú)立連續(xù)傳輸，對(duì)各種信號(hào)的連續(xù)性限制較少、使用靈活。而其主要缺點(diǎn)在于同一時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)哪芰糠逯禐樗行盘?hào)能量峰值疊加，在饋線傳輸中對(duì)饋線的能量傳輸（最大電流）要求相較于其他方式會(huì)更高，提升了實(shí)現(xiàn)的難度。

本文所論述的頻分復(fù)用傳輸方式與一般諸如移動(dòng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)里的頻分復(fù)用傳輸方式有所不同，移動(dòng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)里的頻分復(fù)用是在窄頻段，例如（1 900±20）MHz范圍的無(wú)線傳輸，而本文論述的單饋線傳輸為有線傳輸，其具有信號(hào)頻譜寬、傳輸功率大等特點(diǎn)[2]。

1.2" " 實(shí)現(xiàn)模型

射頻單饋線多信號(hào)傳輸模型框圖如圖1所示，圖中A端和B端分別為單饋傳輸線纜的兩端。

通過(guò)頻分復(fù)用的方式在單饋線中進(jìn)行多信號(hào)的傳輸，需要在傳輸線的兩端對(duì)各傳輸信號(hào)進(jìn)行分離，減少信道間干擾。由于信號(hào)中包含了大功率射頻和電力電源供電，因此必須使用模擬無(wú)源濾波器，因?yàn)橹挥心M無(wú)源濾波器可以以較低的損耗通過(guò)大功率的傳輸信號(hào)。

由于設(shè)計(jì)使用在有線傳輸場(chǎng)景，可以充分利用饋線的信道頻譜，因此應(yīng)將各傳輸信號(hào)的頻率倍頻間隔盡量設(shè)寬。例如：需要同時(shí)傳輸N個(gè)信道，則可以按傳輸頻率由低至高排列成信道1～信道N，它們的頻率（f）關(guān)系可設(shè)為：

fN=mfN-1=…=mN-2f2=mN-1f1

式中：m為兩個(gè)頻率的相差倍數(shù)即倍頻值；N為同時(shí)傳輸?shù)男诺罃?shù)量。

由于需要減少濾波器損耗，同時(shí)考慮模擬濾波器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)難度，濾波器的級(jí)數(shù)不能太高。因此系數(shù)m一般值取10以上，以便降低實(shí)現(xiàn)難度。電力供電主要為直流或工頻交流信號(hào)，其為傳輸線中頻率最低的信號(hào)，因此將其設(shè)定為信號(hào)0。為盡可能獲得更高的頻譜裕度，電源優(yōu)選直流供電。

如圖2所示，傳輸頻率最高的信號(hào)N一般為大功率的射頻信號(hào)，而中間頻率設(shè)計(jì)為其他控制信令類信號(hào)的傳輸。為提升實(shí)際傳輸效果，以下兩點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以注意：

（1）控制信令類信號(hào)可以使用模擬信號(hào)或者經(jīng)過(guò)振幅鍵控（ASK）或相移鍵控（PSK）等方式調(diào)制后的數(shù)字信號(hào)以半雙工的方式進(jìn)行傳輸。若需要以全雙工的方式進(jìn)行傳輸，可通過(guò)將兩端的收發(fā)頻率設(shè)置成不同頻率實(shí)現(xiàn)，其實(shí)質(zhì)是增加了一個(gè)傳輸信號(hào)，即兩個(gè)信號(hào)分別在線路兩端發(fā)射，使用獨(dú)立信道傳輸。

（2）每個(gè)信號(hào)的濾波器在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)需要注意，尤其是低頻濾波器的寄生諧振頻率應(yīng)避開(kāi)其他信號(hào)的頻率，以避免潛在的干擾。實(shí)際應(yīng)用中可采用串聯(lián)高通濾波器等方法實(shí)現(xiàn)。

2" " 控制信令的傳輸設(shè)計(jì)

控制信號(hào)一般為數(shù)字信號(hào)，其特點(diǎn)是能量強(qiáng)度遠(yuǎn)小于電源和射頻信號(hào)，但頻譜寬度極寬（方波理論上具有無(wú)限寬頻譜），而在頻分復(fù)用的單饋線傳輸中需優(yōu)先滿足頻譜分布設(shè)計(jì)，因此一般將控制信號(hào)調(diào)制到設(shè)計(jì)預(yù)定的載波頻率上進(jìn)行傳輸，前后端通過(guò)增加調(diào)制解調(diào)器提升傳輸效果。

圖3為一個(gè)典型的單饋線控制信號(hào)傳輸用半雙工振幅鍵控（ASK）調(diào)制解調(diào)器原理框圖。信號(hào)的載波頻率由單饋線系統(tǒng)的頻譜設(shè)計(jì)決定，發(fā)信號(hào)可以是異步串行數(shù)據(jù)等數(shù)字信號(hào)，一般信號(hào)波特率應(yīng)不大于1/10載波頻率。在信號(hào)傳輸空閑時(shí)，數(shù)據(jù)總線兩端均應(yīng)處于等待接收狀態(tài)。當(dāng)一端需要發(fā)送時(shí)，將此端切換至發(fā)狀態(tài)后即可輸出信號(hào)。發(fā)信號(hào)經(jīng)過(guò)載波調(diào)制并放大后疊加到單饋線上。另一端的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)諧振濾波并放大后檢波解調(diào)，即可得到發(fā)端的原始數(shù)據(jù)信號(hào)[3]。

上述單饋線調(diào)制解調(diào)器在同一時(shí)間只允許一端處于發(fā)狀態(tài)，即只能實(shí)現(xiàn)單工或半雙工模式的數(shù)據(jù)傳輸。若需要實(shí)現(xiàn)全雙工的數(shù)據(jù)傳輸模式，需兩端各使用兩個(gè)獨(dú)立頻率和調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行收發(fā)傳輸，其頻率的選擇和電路應(yīng)按上文論述進(jìn)行重新選定。

3" " 硬件實(shí)現(xiàn)方案

3.1" " 設(shè)計(jì)示例

圖4為一種應(yīng)用于短波電臺(tái)射頻功率放大器與天線調(diào)諧器之間的，典型的“供電+射頻+數(shù)字信號(hào)”組合的單饋線傳輸電路設(shè)計(jì)框圖。

設(shè)計(jì)方案中供電采用直流電源，射頻信號(hào)為頻率范圍1.6～30 MHz的大功率射頻信號(hào)，控制信號(hào)為經(jīng)過(guò)60 kHz載波的振幅鍵控（ASK）調(diào)制后的4 800 bit/s異步串行數(shù)字信號(hào)。圖中供電電源首先經(jīng)過(guò)工頻低通濾波器F1。由于工程化原因F1的自諧振頻率（即阻帶最大有效頻率）一般無(wú)法大于1 MHz，難以有效地對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行隔離，因此在實(shí)際工程中串聯(lián)了低通濾波器F2。F2的通帶頻率設(shè)在200 kHz附近，可以同時(shí)將控制信令信道與射頻進(jìn)行隔離，同時(shí)對(duì)射頻信號(hào)提供較大隔離度，使射頻信號(hào)無(wú)法進(jìn)入供電和控制側(cè)；F3為通帶頻率約1 MHz的高通濾波器，其可以防止控制信號(hào)和供電進(jìn)入射頻側(cè)；F4為一個(gè)針對(duì)控制信令信號(hào)載波的諧振濾波器，它的存在使相對(duì)微弱的控制信號(hào)可以被順利解調(diào)還原。

經(jīng)設(shè)計(jì)與調(diào)試，上述設(shè)計(jì)的實(shí)際電路圖如圖5所示，其實(shí)現(xiàn)了供電、控制、射頻三個(gè)端口間的相互隔離度達(dá)到40 dB以上，可滿足100 m距離射頻、電力和數(shù)字信號(hào)同時(shí)傳輸?shù)南到y(tǒng)技術(shù)需求。

3.2" " 其他設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

（1）在單饋線的多信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，射頻信號(hào)對(duì)傳輸線系統(tǒng)的特性阻抗、屏蔽和隔離等方面均有最高的要求。因此，需優(yōu)先考慮射頻信號(hào)的傳輸特性設(shè)計(jì)以及各種濾波器參數(shù)在射頻信號(hào)的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生的影響。

（2）單饋線傳輸使用的電纜選擇應(yīng)滿足頻率最高的射頻信號(hào)傳輸時(shí)功率和損耗的要求。由于趨膚效應(yīng)的存在，一般射頻電纜均有較大的直流或工頻交流電流的傳輸余量。一般設(shè)計(jì)時(shí)可分別以電源和射頻的傳輸功率計(jì)算選取符合需求的射頻電纜規(guī)格，然后取其中較大者?？刂菩帕钚盘?hào)能量較小，其對(duì)電纜的選用需求一般可以忽略。

（3）在設(shè)計(jì)信號(hào)濾波器時(shí)，需要考慮元器件的功率飽和極限，超額使用容易使信號(hào)產(chǎn)生非線性畸變，在系統(tǒng)頻譜中表現(xiàn)為諧波和互調(diào)頻率分量。同時(shí)，需要避免濾波器的帶外諧振點(diǎn)與其他傳輸頻率重合，導(dǎo)致傳輸特性阻抗發(fā)生變化。

（4）數(shù)字信號(hào)的調(diào)制載波頻率應(yīng)避開(kāi)射頻信號(hào)上調(diào)制的基帶頻率，減少射頻信號(hào)中的基帶信號(hào)被數(shù)字信號(hào)解調(diào)器誤解調(diào)的干擾風(fēng)險(xiǎn)?？刂菩盘?hào)調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)時(shí)亦應(yīng)考慮傳輸電纜的特性阻抗（一般為50 Ω或75 Ω同軸電纜）的影響，根據(jù)傳輸頻率和距離設(shè)計(jì)控制信號(hào)的調(diào)制輸出幅度和解調(diào)輸入靈敏度，過(guò)高的靈敏度也會(huì)增加誤解調(diào)的風(fēng)險(xiǎn)。

（5）電力供應(yīng)的開(kāi)啟和關(guān)閉瞬間在饋線上產(chǎn)生一個(gè)包含寬頻譜的沖擊信號(hào)，對(duì)小信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)制解調(diào)可能產(chǎn)生影響，需在設(shè)計(jì)中加以注意或通過(guò)傳輸時(shí)序進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)避。

4" " 結(jié)束語(yǔ)

單饋線傳輸在工程化應(yīng)用方面具有布設(shè)維護(hù)簡(jiǎn)單、成本較低等多方面優(yōu)勢(shì)，已在多種領(lǐng)域和場(chǎng)合得到應(yīng)用。本文論述了基于單饋線的電力、射頻和數(shù)字控制信號(hào)同時(shí)傳輸?shù)脑?，并通過(guò)一種用于短波電臺(tái)的實(shí)際設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析闡釋。受限于篇幅和筆者能力水平等原因，本文未能將更多理論和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)等細(xì)節(jié)全方位呈現(xiàn)，希望通過(guò)拋磚引玉的方式與相關(guān)從業(yè)者共同探討，碰撞出更多的思維火花。

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收稿日期：2023-11-20

作者簡(jiǎn)介：李勁（1987—），男，廣西貴港人，通信技術(shù)工程師，主要從事短波射頻技術(shù)研究和設(shè)備設(shè)計(jì)工作。