CN109710995A - 一种针对随机排布线缆的串扰噪声预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种针对随机排布线缆的串扰噪声预测方法。所述针对随机排布线缆的串扰噪声预测方法包括如下步骤：步骤一：建立理想的双导线传输线串扰模型；步骤二：根据分段级联的思想分析非平行线缆，使非平行线缆等效成平行线缆；步骤三：用蒙特卡洛法采样并求解随机排布线缆的串扰。本发明提供针对随机排布线缆的串扰噪声预测方法中，分析电磁串扰的大小及发生故障的可能性，增强了通信单元检测仪这款设备检测的准确性，为抑制电磁干扰提供了理论依据，从而更有针对性地减小串扰的影响。

Description

一种针对随机排布线缆的串扰噪声预测方法

技术领域

本发明属于电磁兼容技术领域，具体的涉及一种针对随机排布线缆的串扰噪声预测方法。

背景技术

电磁兼容性产品设计所需考虑的一个重要方面就是串扰问题，从本质上讲，串扰就是互相靠近的导线之间的电磁耦合。上个世纪八十年代中期，传输线输入端的电压和电流与输出端的电压和电流几乎是相同的，但随着时钟和数据速率的不断提高，这些“互连”的导线将极大地影响信号的传输，尤其对于通信类产品的影响不能忽视。因此，传输线之间的串扰问题不容回避，串扰已成为电磁兼容领域的最重要的问题之一。

对串扰问题的预测主要有两种方法，一种是通过实验的方法进行预测，在电波暗室内搭建线缆串扰实验平台，通过模拟实验预测串扰的大小及危害程度；另外一种方法是建立数学模型，利用计算机仿真实现对串扰的预测。第二种方法脱离了试验场地、器材、时间的局限性，使得第二种预测方法备受青睐，并获得迅猛的发展。

通信单元检测仪内一般都含有集中器GPRS模块接口、载波模块以及通信模块等，其连接处线缆排布无规律可行，其串扰难以预测，因此无法针对性的对通信信号频率范围内进行滤波，串扰问题严重影响针对GPRS模块、载波模块的故障检测。使检测结果出现较大误差，严重影响产品的使用。本发明为提高此产品检测的准确度，从降低随机排布线缆的串扰噪声入手，对传导噪声问题进行了深入探讨。

目前，由于设备向着大规模、高密度方向发展，对于设备***的改装以及增加新设备的兼容性分析正在逐步发展。但现行最主流的算法多是针对平行排布线缆的串扰预测，而对实际电气设备内排布的线缆串扰预测并无切实可行的方案。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种针对随机排布线缆的串扰噪声预测方法。

为达成上述目的，本发明采用如下技术方案：一种针对随机排布线缆的串扰噪声预测方法，包括如下步骤：

步骤一：建立理想的双导线传输线串扰模型；

步骤二：根据分段级联的思想分析非平行线缆，使非平行线缆等效成平行线缆；

步骤三：用蒙特卡洛法采样并求解随机排布线缆的串扰。

优选地，在步骤一中，对单位长度的导体建立模型，并列出关于Z和Y的基本电磁矩阵元素的表达式，推导线缆基本电磁矩阵元素的解析式；

Z和Y所表示的单位阻抗矩阵和单位导纳矩阵的方程如下所示：

其中R为电阻矩阵，L为电感矩阵，G为电导矩阵，C为电容矩阵，它们构成了传输线的基本参数矩阵，ω为周期，ω＝2πf；

电阻矩阵R的元素计算公式为：

依照实芯线的半径与集肤深度的关系分成两部分，其中σ为线芯导体的电导率，r_w为实芯圆导体的半径，δ为集肤深度；对于绞合线，若r_ws为一股线芯的半径，则多股半径可以看作单股实芯线的并联。

电感矩阵L的元素计算公式为：

其中，h_ii和h_jj为导体离地高度，s_ij为导体间的距离，该公式适用于理想的平行线缆之间的电感计算；

其中，a为线缆相交角度，b为线缆间最小距离，z为横向距离。

优选地，利用分段级联的思想将非平行线缆线缆进行微分化，使之等效为平行线缆，列写平行线缆的参数计算方法。

优选地，在步骤三中包括如下步骤：

用蒙特卡洛法进行随机采样，获取随机排布线缆空间位置特征，分布拟合，减少计算量，采用期望值计算电磁等效矩阵Z_d和Y_d；

用平行线缆求解串扰的矩量算法，求解线缆的串扰。

相较于现有技术，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

本发明提供针对随机排布线缆的串扰噪声预测方法中，分析电磁串扰的大小及发生故障的可能性，增强了通信单元检测仪这款设备检测的准确性，为抑制电磁干扰提供了理论依据，从而更有针对性地减小串扰的影响；

而且，主要解决通信单元检测仪这款产品在实际操作时遇到的串扰问题，也可运用到汽车电子、轨道交通设备，网络通信设备等电器设备的串扰检测，为以后降低电磁辐射提供理论依据。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为空间位置随机排布线示意图；

图2为平行线缆串扰分析模型示意图；

图3和图4为采用MATLAB中fitdist函数从原本的抽样数据中生成出符合线缆间距离分布概率的100段微分段，进而得到的对地电容和互容的示意图；

图5是蒙特卡洛法预测串扰与实验预测示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，如使用术语“包括”、“具有”以及它们的变形，意图在于“包含但不限于”。

本发明实施方式提供一种针对随机排布线缆的串扰噪声预测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：建立理想的双导线传输线串扰模型。

具体地，在步骤1中，建立单位长度的导体模型，并列出其阻抗矩阵Z和导纳矩阵Y关于基本电磁矩阵元素的解析式，进行线缆基本电磁矩阵元素解析式的推导，如图2所示，r_ii和r_jj是单位长度的电阻，l_ii和l_jj是单位长度的自感，l_ij是线缆间单位长度的互感；c_ii、c_jj和g_ii、g_jj是线缆单位长度的自容和自导，c_ij和g_ij是互容和互导。Z是线缆横跨总长度，d_z是该段MTLs的微分长度。

所述阻抗矩阵Z和导纳矩阵Y的解析式为：

其中R为电阻矩阵，L为电感矩阵，G为电导矩阵，且G很小，一般忽略不计，C为电容矩阵，ω＝2πf，f为频率，由式(1)可知，求矩阵Z、Y，首先要求解矩阵R、L、C。

电阻矩阵R的元素计算公式为：

式(2)依照实芯线的半径与集肤深度的关系分成两部分，其中σ为线芯导体的电导率，r_w为实芯圆导体的半径，δ为集肤深度；对于绞合线，若r_ws为一股线芯的半径，则多股半径可以看作单股实芯线的并联。

电感矩阵L的元素计算公式为：

其中，h_ii和h_jj为导体离地高度，s_ij为导体间的距离，该公式适用于理想的平行线缆之间的电感计算；

其中，a为线缆相交角度，b为线缆间最小距离，z为横向距离。

将采样点处得出的空间位置参数带入式(1)、式(7)，即可求得电阻矩阵R、电感矩阵L。

使用ANSYS软件中APDL模块的宏命令CMATRIX求解多导体***自电容和互电容，以电容矩阵中的元素C₁₁为例，建立连续函数G(z)，使得对应点上C₁₁(z)＝G(z)成立：

其中，[z_k,z_k+1]为微分后的m段上的其中一段，并且每一段都满足式(8)，参数a_k、b_k、c_k、d_k为对应三次到零次项的系数。

非扭结边界条件：

式(3)与式(4)相结合求得参数a_k、b_k、c_k、d_k的值，那么函数G(z)即为C₁₁的三次样条插值函数，G(z)的积分可以作为的值。同理可得

步骤2：根据分段级联的思想分析非平行线缆，使非平行线缆等效成平行线缆。

具体地，在步骤2中，利用分段级联的思想将非平行线缆线缆进行微分化，使之等效为平行线缆，采用期望值计算电磁等效矩阵Z_d和Y_d。

矩阵微分方程如下所示：

线缆串扰预测关键在于对该方程的求解，其中Z为单位长度阻抗矩阵，Y为单位其长度导纳矩阵。

由式(7)可得第k段线缆的串扰公式：

用分段级联的思想将线缆微分成m段，当m无穷大时，则每一段线缆都可以看作平行线缆，那么每一段都满足多导体传输线理论。

对式(8)这样的一阶微分方程组进一步简化成式(9)：

其中，对式(10)左乘并对长度z进行微分得：

求解微分方程式(10)，得：

最终即可得出一阶线缆串扰的解：

对于平行线缆而言，每一微分段的T矩阵都相等，那么有电磁矩阵公式：

观察上面平行线缆的电磁矩阵公式，通过对比，可以提出一种非随机线缆的等效电磁矩阵T_d，Z_d和Y_d，具体公式如下：

步骤3：用蒙特卡洛法采样并求解随机排布线缆的串扰。

具体地，在步骤3中包括如下步骤：

步骤3.1：用蒙特卡洛法进行随机采样，获取随机排布线缆空间位置特征，分布拟合，减少计算量，采用期望值计算电磁等效矩阵Z_d和Y_d；

步骤3.2：用平行线缆求解串扰的矩量算法，求解线缆的串扰。

在步骤3.1中，用蒙特卡洛法进行随机采样，随机采样点可用图一表示，获取随机排布线缆空间位置特征，在z处测得线缆间距离S(z)以及线缆离地距离h₁(z)、h₂(z)，并采用分布拟合，减少计算量；

用随机函数rand，生成(0,1)之间的n个分布均匀的随机数，确定采样位置，采样点位置函数，R(x),其中x∈{1,2,3….,n}，由于蒙特卡洛方法是一种随机模拟方法，所以n的取值越大越好，本专利中取5000，采样点空间位置参数包括倾斜角度、线缆间距离、远近端距离、线缆长度和离地高度等。

建立线缆长度z与采样点位置x的函数关系：

此时函数S(z)是关于z的函数，当随机取样点n的值趋于无穷大，S(z)的概率分布也符合总体的概率分布，记作P(z)。

在采样点数目n为5000的中，取出符合P(z)概率分布的100个点。在这样的100个点里，可求出100组矩阵Z和Y:

由于蒙特卡洛法采样点过多，导致计算量过大，因此需要减少采样点。用MATLAB中的fitdist函数进行分布拟合，减少计算量，生成符合S(z)的随机位置点作为采样点，从而获取随机排布线缆之间的空间位置参数；

在步骤3.2中，用平行线缆求解串扰的一般算法——矩量法，求解线缆的串扰。

具体地，将式(3)转换为解耦的二阶常微分方程：

解耦后齐次微分方程组的解可以表示为：

模量变换后串扰可表示为：

将步骤3所求矩阵Z和Y带入式(19)，并结合式(20)即可求得串扰大小。

接下来将以以一组非平行线缆为例对本发明进行说明。

线缆如图1所示，线缆参数如下表所示：

表1线缆参数

将随机空间分布线缆等分成5000组微分段，由于微分段过多使得电磁参数计算量也过大。事实上，每一段线缆参数仅仅是线缆间距离的变化，因此采用MATLAB中fitdist函数从原本的抽样数据中生成出符合线缆间距离分布概率的100段微分段。得到其对地电容以及互容如图3和图4所示。其蒙特卡洛法预测串扰与实验预测如图5所示，由图所见其低频段误差较小，高频段趋势基本吻合，可证明算法的有效性。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种针对随机排布线缆的串扰噪声预测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：建立理想的双导线传输线串扰模型；

步骤二：根据分段级联的思想分析非平行线缆，使非平行线缆等效成平行线缆；

步骤三：用蒙特卡洛法采样并求解随机排布线缆的串扰。

2.根据权利要求1所述的针对随机排布线缆的串扰噪声预测方法，其特征在于：在步骤一中，对单位长度的导体建立模型，并列出关于Z和Y的基本电磁矩阵元素的表达式，推导线缆基本电磁矩阵元素的解析式；

Z和Y所表示的单位阻抗矩阵和单位导纳矩阵的方程如下所示：

其中R为电阻矩阵，L为电感矩阵，G为电导矩阵，C为电容矩阵，它们构成了传输线的基本参数矩阵，ω为周期，ω＝2πf；

电阻矩阵R的元素计算公式为：

依照实芯线的半径与集肤深度的关系分成两部分，其中σ为线芯导体的电导率，r_w为实芯圆导体的半径，δ为集肤深度；对于绞合线，若r_ws为一股线芯的半径，则多股半径可以看作单股实芯线的并联。

电感矩阵L的元素计算公式为：

其中，h_ii和h_jj为导体离地高度，s_ij为导体间的距离，该公式适用于理想的平行线缆之间的电感计算；

其中，a为线缆相交角度，b为线缆间最小距离，z为横向距离。

3.根据权利要求1所述的针对随机排布线缆的串扰噪声预测方法，其特征在于：在步骤二中，利用分段级联的思想将非平行线缆线缆进行微分化，使之等效为平行线缆，列写平行线缆的参数计算方法。

4.根据权利要求1所述的针对随机排布线缆的串扰噪声预测方法，其特征在于：在步骤三中包括如下步骤：

用蒙特卡洛法进行随机采样，获取随机排布线缆空间位置特征，分布拟合，减少计算量，采用期望值计算电磁等效矩阵Z_d和Y_d；

用平行线缆求解串扰的矩量算法，求解线缆的串扰。