Патент на изобретение №2216853

(54) УСТРОЙСТВО ШИРОКОПОЛОСНОЙ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ИНФОРМАЦИИ ПО ЭЛЕКТРОСЕТЯМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к системам передачи информации, использующим в качестве линии связи провода электросети. Достигаемый технический результат – повышение помехоустойчивости, увеличение скорости передачи информации. Устройство передачи и приема сообщений по электросети содержит на передающей стороне управляющий блок передатчика, модулятор, кодер канала и генератор хаотического сигнала, на приемной стороне – фильтр, усилитель, интегратор, управляющий блок приемника и решающий блок приемника, а также фильтр присоединения к электросети передающей и приемной сторон. 1 з.п.ф-лы, 10 ил.

Настоящее изобретение относится к системам передачи информации, использующих в качестве ЛИНИИ СВЯЗИ провода электросети. В частности, изобретение может быть использовано в системах связи при передаче информации посредством электросетей (бытовых и распределительных) в системах контроля и учета, организации локальных сетей, телефонной связи и передачи других информационных сообщений.

Существующие в настоящее время электросети обычно состоят из большого количества низковольтных сетей (часто называемых магистральными), к которым подключены бытовые потребители и небольшие предприятия, причем низковольтные сети получают питание от высоковольтных распределительных сетей или систем.

Низковольтные (потребительские) сети могут иметь, например, напряжение 220 В (или 380 В в 3-фазных сетях), распределительные сети имеют напряжение 6-10 кВ.

Известно, что электрические сети изначально не предназначались для использования в качестве канала связи, тем более в качестве высокоскоростного канала связи для предоставления телекоммуникационных услуг. Тем не менее, усилия по созданию методов и устройств, обеспечивающих цифровую связь по линиям электропередачи и распределительным электросетям, предпринимались различными компаниями во многих странах.

Для широкополосной передачи информации по электросетям пригодным является диапазон частот от 0.009 до 30 МГц.

В развитии технологии передачи данных по электросетям (в дальнейшем PLC – Powerline Communications) существуют две тенденции, позволяющие преодолеть такие недостатки электросети с точки зрения свойств канала связи, как высокий уровень и нестационарность шумов, широкий диапазон изменения величины затухания сигнала и эквивалентной нагрузки в сети, наличие эффектов многолучевого распространения и возникновение эхо-сигналов на частотах, необходимых для высокоскоростной передачи данных.

В частности, некоторые компании основное внимание уделяют разработке PLC-модемов технологий, обеспечивающих высокий уровень помехоустойчивости цифровой передачи данных (NEC Home Electronics Ltd, pat. US 4864589 от 05.09.89; Intellon Corporation, pat. US 5090024 от 18.02.92, pat. US 5263046 от 16.11.93, pat. US 5278862 от 11.01.94, Siemens, Ascom и др.). Другие предпочитают создать в электросетях путем их “кондиционирования” (в смысле подавления шумов) и стабилизации эквивалентной нагрузки/сопротивления сети условия, позволяющие использовать методы модуляции, используемые в модемах для выделенных линий связи – FSK, GFSK, QPSK, OQPSK, QAM, Pi/4 QPSK и др. (Norweb PLC, pat. US 5684450 от 04.11.97, US 5929750 от 27.07.99, US 5933071 от 03.08.99, US 5949327 от 07.09.99, ABB Power T&D Company, pat. US 5694108 от 02.12.97, AT& T Corp., US 5952914 от 14.09.99). Для повышения скорости некоторые компании используют технологию ОFDM (Ortogonal Frequence Division Multiplexing): Intellon Corporation, Siemens, Ascom и др.

Известные пути развития PLC имеют следующие ограничения и недостатки. Широкополосность цифровой обработки лимитируется ограниченным быстродействием цифровых элементов, особенно аналого-цифровых преобразователей. Не смотря на то, что прогресс в этом направлении значителен, создание массовой продукции ограничивается стоимостью высокоскоростных АЦП. Кроме того, присущие цифровым методам шумы квантования или дискретизации могут ограничивать динамический диапазон обработки. Это существенно при наличии в канале связи интенсивных коррелированных помех. Усиление акцента на “улучшение” электросетей и приближение условий в них к условиям в выделенных каналах связи девальвирует саму идею использования электросетей как уже “существующего” канала связи и связано со значительными инфраструктурными затратами для предоставления телекоммуникационных услуг с использованием PLC-технологии.

Известно устройство телесигнализации по электрическим сетям (авт. свид. СССР N871343, Н 03 В 3/54, опубл. 07.10.81), содержащее передатчик, приемник, подключенный к обмотке первого однообмоточного трансформатора, а также второй однообмоточный трансформатор либо первый и второй индукторы.

Недостатком указанного устройств является низкая помехозащищенность, низкая скорость передачи, а также то, что потребители электроэнергии, подключенные к этим проводам, шунтируют канал передачи информации, что приводит к увеличению энергетических затрат и создает высокочастотные помехи. По этой причине такие устройства не нашли широкого применения в распределительных (6-10 кВ) и низковольтных (220/380 В) воздушных и кабельных линиях электропередачи, где подключено большое количество потребителей электроэнергии, одновременно являющихся источниками высокочастотных помех.

В радиосвязи для преодоления указанных выше проблем используются способы связи, когда полоса спектра сигнала шире спектра информационного сообщения. Отношение ширины спектра сигнала к ширине спектра информационного сообщения называют базой сигнала В, которая и определяет степень повышения помехоустойчивости связи. Для обеспечения широкополосности сигнала используют различные методы внутри битовой модуляции радиосигнала. В частности, это могут быть амплитудно-импульсная модуляция, фазовая модуляция, частотная модуляция, широтно-импульсная модуляция, импульсно-кодовая модуляция и т.д.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство по патенту США 4964138, кл. Н 04 В 1/66, 16.10.1990, содержащее (фиг. 1) на передающей стороне управляющий блок передатчика 1, блок расширения спектра информационного сигнала 2, модулятор 3 и высокочастотный передатчик 4, а на приемной стороне – высокочастотный приемник 5, демодулятор 6, управляющий блок приемника 7, коррелятор 8, фильтр 9 и решающий блок 10.

Описанное устройство (фиг.1) функционирует следующим образом. На передающей стороне информационная последовательность двоичных “1” и “0” со скоростью R =1/Т (фиг.2) поступает на вход расширителя спектра, в котором каждый бит информационной последовательности длительностью Т модулируется расширяющей последовательностью (фиг.3) псевдослучайных видеоимпульсов 1 и 0 длительностью ₀= Т/N, где N – число псевдослучайных импульсов. Обычно считают, что база сигнала примерно равна числу псевдослучайных импульсов, т.е. ВN. Ширина спектра, например, ФМ сигнала f1/₀. Работой расширителя спектра 2 управляет управляющий блок передатчика 1. Последовательность импульсов с расширенным спектром, переносящая информационные символы, поступает, например, в модулятор (например, фазовый) 3, сигнал с которого (фиг.4) управляет высокочастотным передатчиком 4 с несущей частотой f₀ (фиг.5). На приемной стороне сигнал в высокочастотном приемнике 5, проходя через смеситель, переносится с помощью гетеродина на промежуточную частоту, усиливается в усилителе промежуточной частоты и поступает на вход демодулятора 6, затем на коррелятор расширяющей последовательности 8, далее сигнал поступает на фильтр 9, на выходе которого решающий блок 10 восстанавливает символы информационной последовательности. Управляющий блок приемника 7 осуществляет поиск сигнала по частоте и по времени, накапливает сигнал для увеличения надежности синхронизации, управляет режимом работы решающего блока. Для поиска сигнала по частоте управляющий блок приемника перестраивает гетеродин. После окончания поиска и вхождения в синхронизм на выходе решающего блока появляется информационная последовательность в виде двоичных символов, которая передается получателю информации.

Описанное устройство обладает следующими недостатками: 1) при больших базах сигнала и высокой скорости передачи информации необходимо очень высокое быстродействие коррелятора и решающего блока, что ограничивает либо скорость, либо помехозащищенность связи; 2) необходим гетеродин для преобразования сигнала на промежуточную частоту, что усложняет устройство и предъявляет дополнительные требования к стабильности его параметров; 3) требуется синхронизация приема/передачи как по времени, так и по частоте, что при больших базах сигнала требует достаточно сложных схемотехнических решений.

Целью предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости, увеличение скорости передачи информации, упрощение конструкции устройства и снижение требований к стабильности его параметров, расширение функциональных возможностей устройств, использующих существующую электропроводку в качестве канала связи, и уменьшении энергетических затрат при передаче информации по электросетям, в том числе кабельным и воздушным линиям электропередачи, при соблюдении ограничений на амплитуду и полосу спектра сигнала, накладываемыми международными и российскими стандартами на электромагнитную совместимость.

Указанная цель достигается тем, что известное устройство, содержащее на передающей стороне управляющий блок передатчика и модулятор и на приемной стороне управляющий блок приемника, фильтр и решающий блок, снабжено на передающий стороне генератором хаотического сигнала, генерирующего в диапазоне 0,009-30 мГц, выход которого подключен к первому входу модулятора, и кодером канала, выход которого подключен ко второму входу модулятора, а на приемной стороне – усилителем и интегратором, при этом фильтр имеет полосу пропускания 0,001-30 мГц и его выход подключен к входу усилителя, а выход последнего подключен ко входу интегратора.

А также тем, что генератор хаотического сигнала, кодер канала, модулятор, усилитель и интегратор выполнены в виде платформы с цифровым сигнальным процессором, цифроаналоговым и аналого-цифровым преобразователями.

А также тем, что генератор хаотического сигнала выполнен на транзисторе типа 2Т938А-2 с включенным между коллектором и эмиттером транзистора микрополосковым резонансным элементом.

А также тем, что введен фильтр присоединения к электросети напряжением 220/380 В.

А также тем, что введен фильтр присоединения к электросети напряжением 6-10 кВ.

А также тем, что введены порт для обмена по RS 232 и порт для обмена по Ethernet.

На фиг.1 изображена блок-схема дифференцированного коррелятора для распространения систем связи – прототип;
на фиг.2-5 изображены эпюры передающих сигналов коррелятора – прототипа;
на фиг. 6 изображена блок-схема предлагаемого устройства широкополосной передачи и приема информации по электросетям;
на фиг. 7-10 изображены эпюры передающих сигналов предлагаемого устройства.

Устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям состоит на передающий стороне из кодера канал 1, соединенного первым входом модулятора 2 управляющего блока передатчика 3, выход которого соединен с входом генератора хаотического сигнала 4, подсоединенного к второму входу модулятора 2, а на приемной стороне – фильтр 5, подсоединенный к входу усилителя 6, соединенного с интегратором 7, подключенным к входу решающего блока 8, при этом управляющий блок приемника 9 подключен одним выходом к интегратору 7, а другим выходом – к решающему блоку 8 (фиг.6).

Устройство работает следующим образом. Генератор хаотического сигнала 4 генерирует хаотические радиоимпульсы (фиг.7) в диапазоне 0,009-30 МГц, перестраиваемой центральной частотой f₀ и полосой частот f~0,001-30 МГц. Полоса генерации и центральная частота регулируются управляющим блоком передатчика 3. Информационная последовательность (фиг.8) двоичных “1” и “0” поступают на вход кодера канала 1, который, в свою очередь, преобразует ее к виду, обеспечивающему управление модулятором 2 ключевого типа. На выходе модулятора (фиг.9) формируются хаотические импульсы длиной от 1/f до . Формирование информационного потока в кодере канала может осуществляться за счет изменения расстояния между импульсами, изменения длины импульсов, изменения среднеквадратичной амплитуды импульсов или комбинации этих параметров.

На приемной стороне фильтр 5 пропускает сигнал в полосе частот передатчика, далее сигнал усиливается в усилителе 6, после которого решающий блок 8 выделяет полезную информацию из сигнала путем предварительного интегрирования мощности импульса в интеграторе 7 (фиг.10) в пределах его длины. Управляющий блок приемника 9 осуществляет синхронизацию в соответствии с частотой следования импульсов. Таким образом, в устройстве осуществляется некогерентный прием последовательности импульсов.

Один из вариантов реализации – предлагаемое изобретение было реализовано на базе 75 МГц платформы с цифровым сигнальным процессором (ЦСП) ADSP2189 фирмы Analog Devises, содержащую также 10-разрядные цифроаналоговый и аналого-цифровой преобразователи (АЦП и ЦАП) и имеющую фильтр присоединения к электросети 220 В, 50 Гц и два порта для обмена по RS 232 и Ethernet. В данном устройстве программным образом на ЦСП реализованы функции всех узлов предлагаемого изобретения, кроме входного фильтра приемника. Устройство имеет тумблер, коммутирующий информационные сигналы на электросеть ~220 В, на изолированную низковольтную сеть или на устройство присоединения к электросети 6-10 кВ.

Основные характеристики:
– Полоса входного-выходного фильтра: ~15…80 кГц.

– Максимальная частота дискретизации: 400 кГц.

– Максимальная скорость нарастания напряжения на вых. ЦАП: 1 В/мкс.

– Разрядность ЦАП: 10.

– Разрядность АЦП: 10.

– Диапазон регулировки усиления в канале приема: 0…48 дБ.

– Амплитуда напряжения на выходе усилителя мощности без нагрузки: 5 В.

– Максимальная скорость обмена по каналу RS-232: 115200.

– Тактовая частота процессора: 75 мГц.

– Максимально-допустимая амплитуда на входе усилителя в канале приема: 1.6 В.

Состав и структурная схема устройства
Устройство состоит из следующих частей:
1. Передающая часть:
– ЦАП AD5300 с последовательным интерфейсом.

– Выходной фильтр.

– Усилитель мощности.

– Ключ включения передачи.

2. Приемная часть:
– Входной фильтр.

– Усилитель с регулируемым коэффициентом усиления: AD8061+AD8400.

– АЦП AD7810 с последовательным интерфейсом.

3. Сигнальный трансформатор.

4. Процессорная часть:
– Сигнальный процессор ADSP2189М (ADSP2185М).

– Преобразователь уровней для канала RS-232.

– Схема согласования с последовательными интерфейсами м/с ЦАП и АЦП.

– Загрузочная память на 32 кб (29LV256).

– Контроллер сброса процессора.

– Два программно-управляемых светодиода.

5. Блок питания:
– Выпрямитель на 12 В.

– Стабилизатор 5 В/0.5 А.

– Стабилизатор 3.3 В/100 мА.

– Стабилизатор 2.5 В/50 мА.

Частоту дискретизации задает SPORTO процессора. Эта частота одинакова как для приема, так и для передачи.

Канал RS-232 реализован на основе последовательного порта процессора SPORT 1: на каждый бит интерфейса RS-232 приходятся 3 бита порта SPORT 1. Каждая посылка байта через канал RS-232 превращается в 2 16-битных слова SPORT 1 и соответственно в 2 прерывания. Прием байта инициируется его стартовым битом через сигнал фрейма приема. Алгоритм работы SPORT в этом режиме дан в материале EE_60.PDF (www.analog.com).

Драйвер канала RS-232 имеет 2 передатчика и два приемника. Одна пара используется для линий Rx-Tx, другая – для линий DTR-DSR.

Регулируемый усилитель канала приема
На входе АЦП стоит усилитель с регулируемым коэффициентом усиления. Диапазон входных напряжений для него не должен выходить за пределы 0…3.2 В, иначе возникает ограничение его выходного напряжения. Регулировка усиления производится с помощью цифрового резистора AD8400-10.

Процессорная часть
В процессорной части установлен сигнальный процессор ADSP2189M. Процессор требует два питания: 2.5 В и 2.5 В или 3.3 В – для питания внутренней схемы и I/0-выводов. Процессор работает на частоте 75 мГц, получаемой от кварца на 37.5 мГц. Кварц должен возбуждаться на частоте третьей гармоники. Для этого используется индуктивность, которая совместно с корректирующей емкостью должна давать резонанс на частоте, лежащей между основной частотой кварца и ее третьей гармоникой:
= 1/(LC)^1/2 = 2₀/3; ₀ = 75 мГц; С=12 пФ; –>L=3,3 мкГ.

К процессору подключены два светодиода – к программным флагам PFO (красный) и PF1 (зеленый). Подача 1 на флаг включает соответствующий светодиод.

Линия DTR (out) канала RS-232 подключена к программному флагу PF5, линия DSR (in) – к программному флагу PF4, который может вызывать прерывание IRQE (по фронту).

Загрузочная память установлена на отдельной плате и подключается к процессору через разъем PBD-40. Для программирования этой памяти имеется специальный программатор PicProg877. На этом программаторе также установлен разъем PBD-40, в который устанавливается плата загрузочной памяти при программировании.

На разъем загрузочной памяти выведены также сигналы для подключения дополнительных устройств (регистров) к области памяти ввода-вывода: -IOMS, IORESET, -IOINT. Сигнал IORESET формируется флагом FL2. Сигнал -IOINT поступает на флаг PF7, который может вызывать прерывание -IRQE. Сигнал -IOMS заведен также на сигнал -BR для вставки одного пустого такта после обращения процессором в область ввода-вывода.

Генерация хаотического сигнала происходила путем подачи на ЦАП отсчетов хаотического сигнала, которые рассчитывались путем решения на ЦСП ADSP2189 уравнений вида [1-2]:
Тх’+х=F(z);
y”+₁y’+y=x;
z+₂z+²z = ₂y;

Задание конкретного диапазона частот осуществляется соответствующим выбором параметров системы (1) и величиной частоты дискретизации. Скорость передачи варьируется скважностью и длиной импульса и достигает максимального значения R~ 1/f (при скважности 2). В этом случае хаотический радиоимпульс состоит практически из одного квазипериода хаотических колебаний.

При приеме аналоговый сигнал, принимаемый из электросети, оцифровывается в АЦП, по полученным отсчетам в ЦСП численно рассчитывается мощность сигнала, она интегрируется и по полученным значениям восстанавливается информационная последовательность.

Увеличение количества квазипериодов дает возможность регулировать скорость передачи и помехоустойчивость связи. Расчеты и испытания устройства в реальной электросети показали, что предлагаемое устройство обеспечивает работоспособность системы связи по электросети в широком диапазоне скоростей при вероятности битовой ошибки ~10^-4. В случае превышения уровня сигнала шумов в электросети потенциальная скорость нарастает с улучшением свойств канала и в пределе может достигать максимально возможного значения. Например, для характерного уровня шума 10 дБ величина скорости передачи при заданном уровне ошибок составляет ~0,1 от максимально возможной скорости, определяемой полосой канала. При превышении шумов канала над информационной составляющей происходит уменьшение возможных скоростей передачи, однако и в этом случае прием с требуемым качеством возможен за счет соответствующего увеличения коэффициента накопления сигнала (базы сигнала).

Последнее обстоятельство – это аналогия с увеличением длины расширяющей последовательности в Spread Spectrum системах. Однако в предлагаемом устройстве увеличение базы сигнала не требует увеличения быстродействия отдельных узлов аппаратуры.

Поскольку прием осуществляется в полосе излучения передатчика, не требуется гетеродин для переноса сигнала на промежуточную частоту.

В предлагаемом устройстве осуществляется некогерентный прием сигнала, поэтому не требуется синхронизация по частоте, а требования к точности синхронизации по времени в N=B раз ниже, чем в известном устройстве.

Анализ многолучевого распространения свидетельствует, что в достаточно широком диапазоне скоростей передачи вплоть до 2 Мбит/сек наличие многолучевого распространения практически не влияет на величину интегральной энергии на детекторе приемника.

Для максимизации передаваемой в бытовую электросеть амплитуды сигнала в предлагаемое устройство передачи и приема сообщений по электросетям может быть введен специальный фильтр, согласующий выходной импеданс приемопередатчика с импедансом электросети напряжением 220/380 В.

Для максимизации передаваемой на линии 6-10 кВ амплитуды сигнала в предлагаемое устройство передачи и приема сообщений по электросетям может быть введен специальный фильтр, согласующий выходной импеданс приемопередатчика с импедансом устройства присоединения аппаратуры связи к линиям среднего напряжения 6-10 кВ.

Для подключения стандартных устройств вычислительной техники и связи в предлагаемом устройстве передачи и приема сообщений по электросетям могут быть введены порт для обмена по RS 232 и порт для обмена по Ethernet.

Формула изобретения

1. Устройство передачи и приема сообщений по электросети, содержащее на передающей стороне управляющий блок передатчика, который регулирует полосу генерации и центральную частоту хаотических радиоимпульсов, и модулятор, а на приемной стороне – управляющий блок приемника, который осуществляет синхронизацию в соответствии с частотой следования хаотических радиоимпульсов, фильтр и решающий блок приемника, отличающееся тем, что оно снабжено фильтром присоединения к электросети передающей стороны и приемной стороны, генератором хаотического сигнала, который генерирует в диапазоне 0,009-30 МГц, кодером канала, выход которого подключен к первому входу модулятора, усилителем и интегратором, при этом выход фильтра подключен к входу усилителя, выход которого подключен к входу интегратора, управляющий блок приемника подключен одним выходом к интегратору, другим выходом к решающему блоку приемника, вход которого подключен к интегратору, при этом решающий блок приемника выполнен с возможностью выделения полезной информации из хаотического радиоимпульса путем предварительного интегрирования мощности хаотического радиоимпульса в интеграторе в пределах его длины, а выход управляющего блока передатчика подключен к входу генератора хаотического сигнала, выход которого подключен к второму входу модулятора.

2. Устройство передачи и приема сообщений по электросети по п. 1, отличающееся тем, что генератор хаотического сигнала выполнен на транзисторе типа 2Т938А-2 с включенным между коллектором и эмиттером транзистора микрополосковым резонансным элементом.

РИСУНКИ

TK4A – Поправки к публикациям сведений об изобретениях в бюллетенях “Изобретения (заявки и патенты)” и “Изобретения. Полезные модели”

Страница: 647

Напечатано: Адрес для переписки: 105023, Москва, ул. Б.Семеновская, 49, оф.404, Центр “ИННОТЭК”, пат.пов. Т.А.Вахниной

Следует читать: Адрес для переписки: 117393, Москва, ул. Архитектора Власова, 55, оф. 500, ЗАО ИАЦ НТИ “Континиум”, генеральному директору Г.М.Мкртчян

Номер и год публикации бюллетеня: 32-2003

Код раздела: FG4A

Извещение опубликовано: 27.02.2005 БИ: 06/2005