УСТРОЙСТВО ШИРОКОПОЛОСНОЙ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ИНФОРМАЦИИ ПО ЭЛЕКТРОСЕТЯМ Российский патент 2003 года по МПК H04B3/54 

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 τ₀= Т/N, где N - число псевдослучайных импульсов. Обычно считают, что база сигнала примерно равна числу псевдослучайных импульсов, т.е. В≈N. Ширина спектра, например, ФМ сигнала Δf≈1/τ₀. 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 Δf~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/Δf 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:
ω = 1/(LC)^1/2 = 2ω₀/3; ω₀ = 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"+α₁y'+y=x;
z″+α₂z′+ω²z = α₂y′;

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/Δf (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 удешевления аппаратуры, реализующей указанное изобретение, генератор хаотического сигнала может быть выполнен на основе простых аналоговых схем (например, на транзисторе типа 2Т938А-2 с включенным между коллектором и эмиттером транзистора микрополосковым резонансным элементом), известных из (Проектирование радиопередающих устройств СВЧ/Под редакцией Г.М.Уткина. // М. : Сов. Радио, 1979, Кяргинский Б.Е. Генераторы на биполярных транзисторах различной мощности. // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. 1993. Вып. 3(457). С. 3-6), стоимость которых намного меньше цифровых сигнальных процессоров, однако в этом случае исключается перестройка параметров приема-передачи, реализуемая в ЦСП программным образом.

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.

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.

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.