Частотно-импульсный модем для передачи данных по сетям электропитания Российский патент 2024 года по МПК H02J13/00 H04B3/54 

Изобретение относится к электросвязи и электротехнике, а именно к системе передачи и приема информации, в частности к системам передачи и приема информации по силовым электрическим сетям.

Известно устройство кодирования, приема и передачи цифровой информации по двухпроводной линии связи (RU 96112687/09).

Это устройство может применяться, судя по описанию, для передачи цифровой информации по двухпроводной линии, предназначенной только для передачи информации, т.е. выполненной или используемой только для этих целей, и не может быть использовано для передачи информации по силовой электрической сети.

Известно устройство кодирования, приёма и передачи цифровой информации по электрическим сетям (RU 2315425 С2), основанное на передаче импульсов одной несущей частоты, что не позволяет достичь высокой помехозащищенности.

Известен способ передачи данных по линиям электропитания и устройство для его реализации (RU 2733052 С1), принятый за наиболее близкий аналог, где авторами предлагается концепция передачи информации путём изменения амплитуды отдельных полупериодов синусоиды напряжения питания, однако такой способ передачи не защищен от импульсных помех, которые в случае достаточно длинных линий могут серьёзно снижать помехоустойчивость.

Техническим результатом изобретения является повышение помехозащищенности и достоверности потока цифровой информации при передаче данных по электрическим сетям, в том числе по кабельным линиям, находящимся под высоким напряжением и содержащим широкополосные помехи.

В предлагаемом изобретении данные кодируются высокочастотными радиоимпульсами вне спектральной области сетевого питания. В предлагаемом модеме применен изначально помехоустойчивый стандарт DTMF, но частоты DTMF переносятся по спектру с помощью балансной модуляции вверх по частоте в ту область, где помехи бытовых устройств минимальны, и передаются параллельно с низкочастотным основным сигналом сетевого напряжения.

Заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве приема и передачи цифровой информации по электрическим сетям, содержащем микроконтроллер, генератор гармонических сигналов и фильтр высоких частот, предназначенный для подключения к электрической сети, соединенный через реле с каналами приема и передачи, переключение которых осуществляется микроконтроллером; канал передачи состоит из соединенных последовательно сумматора, фильтра низких частот, смесителя и усилителя мощности, при этом первый выход микроконтроллера, на котором формируются двухтональные частотно-импульсные посылки стандарта DTMF, соединен с сумматором; канал приёма состоит из последовательно соединенных полосового фильтра с перестройкой резонанса, усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, смесителя, фильтра низких частот и декодера DTMF-сигнала, при этом второй выход микроконтроллера соединен с полосовым фильтром, сигнал после фильтра поступает на усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, при этом к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления подключен детектор управляющего напряжения, выход которого соединен с усилителем с регулируемым коэффициентом усиления и микроконтроллером, вход генератора гармонического сигнала соединен с микроконтроллером, а его выходы со смесителями каналов передачи и приема, а выход – к фильтру низкой частоты, выход которого подключается к DTMF-декодеру, преобразующий сигналы в цифровой код, поступающий на микроконтроллер, который в свою очередь в любом режиме обеспечивает управление генератором, переключение режимов приёма и передачи и передачу и приём данных по стандарту UART.

Предлагаемое устройство приема и передачи цифровой информации по электрическим сетям иллюстрируется блок-схемой устройства, представленной на фиг.

На фиг. обозначены следующие позиции

1 – Фильтр высоких частот, состоящий из последовательно соединенных высоковольтного конденсатора и первичной обмотки ферритового трансформатора. Трансформатор осуществляет дополнительно ещё и задачу гальванической развязки.

2 – Реле, осуществляющее переключение устройства из режима приёма в режим передачи и наоборот. Устройство работает в полудуплексном режиме.

3 – Полосовой фильтр с перестройкой резонанса в области 50 – 150 кГц и полосой 2 кГц. Перестройка осуществляется за счёт применения варикапа.

4 – Усилитель с возможностью регулировки коэффициента усиления.

5 – Смеситель, выполненный на микросхеме К174ПС1 или аналогичной.

6 – Фильтр низких частот с частотой среза 2 кГц.

7 – Декодер DTMF-сигнала, выполненный на микросхеме КР1008ВЖ18 или аналогичной.

8 – Микроконтроллер, осуществляющий кодирование и декодирование данных пользовательского интерфейса UART, операции с этими данными, коммутацию реле 2, перестройку резонанса полосового фильтра 3 и частоты генератора 13, чтение данных с декодера 7, измерения уровня напряжения с выхода модуля регулировки усиления 14 и формирование радиоимпульсов сетки DTMF, поступающих на сумматор 9.

9 - Сумматор двух сигналов, выполненный с помощью двух резисторов равного номинала, подключенных последовательно между двумя выходами микроконтроллера 8. Выходной сигнал сумматора снимается со средней точки между двумя резисторами.

10 – Аналогичный блоку 6 фильтр низких частот.

11 – Аналогичный блоку 5 смеситель.

12 – Мощный усилитель, осуществляющий передачу информации в сеть электропитания.

13 – Генератор гармонического сигнала с перестройкой в диапазоне 50 – 150 кГц.

14 – Детектор управляющего напряжения АРУ, корректирующий коэффициент усиления усилителя 4.

Устройство работает следующим образом: по интерфейсу UART с пользовательского устройства поступают данные, подлежащие отправке. В предлагаемом изобретении за одну транзакцию передаётся 7 байт информации. После накопления данного объема данных, байты разделяются на четырёхбитные блоки, каждый из которых соответствует одному из 16 возможных в сетке стандарта DTMF. Микроконтроллер 8 перед началом сеанса передачи данных в течение 100 мс контролирует факт существования потока символов методом измерения уровня мощности входного сигнала, оцениваемого блоком 14. Если сигнал в линии отсутствует (линия свободна), микроконтроллер 8 инициирует ток в обмотке реле 2 и формирует на выходах, подключенных к сумматору 9 меандры частот 1336 Гц и 770 Гц (число «5» в сетке DTMF) в течение 100 мс. После этого начинается процесс передачи символов последовательно (передаётся 14 символов). Микроконтроллер 8 формирует на заданный программой интервал времени (80 мс) на двух своих выходах меандры с частотами, соответствующими стандартной сетке частот стандарта DTMF. Данные меандры поступают на аналоговый сумматор 9 и далее на фильтр нижних частот 10, подавляющий в сигнале гармоники частот старших порядков и ограничивающий сигнал полосой 2 кГц. Далее полученные импульсы поступают на смеситель 11, на другой вход которого поступает гармонический сигнал с генератора 13 выбранной частоты приёма и передачи. Выбор частоты приёма и передачи осуществляется эмпирически в диапазоне 50 – 100 кГц и определяется оценкой помеховой обстановки в каждой отдельно взятой сети. После смесителя сигнал поступает на мощный усилитель 12, транслирующий через нормально разомкнутые контакты реле 2 и устройство гальванической развязки и фильтрации высоких частот 1 информационный сигнал в сеть электропитания. Данная процедура повторяется 14 раз, пока все 7 символов не окажутся переданными в линию. По окончании передачи символов устройство переходит в режим приёма снятием тока с обмотки реле 2 и выдерживает паузу в 100 мс для того чтобы освободить линию для других устройств.

В точке приёма сигнала микроконтроллер 8 не инициирует ток в обмотке реле 2. Информационный сигнал из сети электропитания поступает через устройство гальванической развязки и фильтрации высоких частот 1 и реле 2 на полосовой фильтр 3, резонанс которого подстраивается с помощью варикапа таким образом, чтобы его величина по частоте была на 1 кГц выше частоты генератора 13. Ширина полосы данного фильтра составляет 2 кГц. Далее сигнал поступает на усилитель с регулировкой усиления 4 и далее на вход смесителя 5 и устройство автоматической регулировки усиления 14, осуществляющее подстройку коэффициента усиления таким образом, чтобы размах сигнала на выходе усилителя не выходил за пределы динамического диапазона входа смесителя, но при этом был максимальным. Оценка данного параметра осуществляется с помощью пикового детектора. Также уровень сигнала корректировки усиления с выхода блока 14 регистрируется микроконтроллером 8, на основании величины которого делается вывод о начале процесса приёма пакета данных. На второй вход смесителя 5 поступает гармонический сигнал с генератора 13. Выходной сигнал поступает на фильтр низких частот 6 с частотой среза 2 кГц и далее на DTMF-декодер 7, выполненный на микросхеме КР1008ВЖ18 или аналогичной ей. Далее цифровой код с выхода данной микросхемы поступает на микроконтроллер 8, который осуществляет накопление получаемых данных с момента появления сигнала в линии (достижения напряжением на выходе блока 14 уровня, означающего появление информационного сообщения в общем шуме и декодирование этого сигнала блоком 7 как числа «5» сетки DTMF). Приём пакета завершается по прошествии минимального времени длительности пакета (1,12 секунд) и переходе напряжения на выходе блока 14 в значение, соответствующее отсутствию в сети информационного сигнала. После этого полученные данные обрабатываются микроконтроллером 8 и на их основании формируются 7 байт, которые впоследствии передаются по интерфейсу UART на пользовательское устройство.

Изобретение относится к области передачи и приёма цифровой информации по электрическим сетям в целях управления электроприборами и получения телеметрии. Технический результат заключается в повышении помехозащищенности и достоверности принимаемой цифровой информации. Указанный технический результат достигается тем, что в заявленном решении применяются импульсные сигналы с внутриимпульсной двухчастотной модуляцией стандарта DTMF, перенесенные по спектру с помощью балансной модуляции вверх по частоте в ту область, где величина помех минимальна, а также осуществляется автоматическая регулировка усиления входного усилителя, позволяющая обеспечивать приём как слабых, так и мощных информационных сигналов. 1 ил.

Устройство приема и передачи цифровой информации по электрическим сетям, содержащее микроконтроллер, генератор гармонических сигналов и фильтр высоких частот, предназначенный для подключения к электрической сети, соединенный через контактную группу реле с каналами приема и передачи, при этом вход реле соединен с микроконтроллером; канал передачи состоит из соединенных последовательно сумматора, фильтра низких частот, смесителя и усилителя мощности, при этом первый выход микроконтроллера, на котором формируются двухтональные частотно-импульсные посылки стандарта DTMF, соединен с сумматором; канал приёма состоит из последовательно соединенных полосового фильтра с перестройкой резонанса, усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, смесителя, фильтра низких частот и декодера DTMF-сигнала, при этом второй выход микроконтроллера соединен с полосовым фильтром, сигнал после полосового фильтра поступает на усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, при этом к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления подключен детектор управляющего напряжения, выход которого соединен с усилителем с регулируемым коэффициентом усиления и микроконтроллером, вход генератора гармонического сигнала соединен с микроконтроллером, выходы генератора гармонического сигнала соединены со смесителями каналов передачи и приема, выход смесителя канала приема подсоединен к фильтру низкой частоты канала приема, выход которого подключается к DTMF-декодеру, преобразующему сигналы в цифровой код, поступающий на микроконтроллер, который, в свою очередь, обеспечивает и в режиме приема, и в режиме передачи управление генератором, коммутацию реле, осуществляющее переключение устройства из режима приема в режим передачи и наоборот, при этом микроконтроллер также осуществляет обработку данных, которые принимаются или передаются по интерфейсу UART.