устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям
Классы МПК: | H04B3/54 системы передачи информации по линиям энергоснабжения |
Автор(ы): | Мкртчян Г.М. |
Патентообладатель(и): | Закрытое акционерное общество Информационно-аналитический центр Научно-технических исследований "Континиум" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-12-27 публикация патента:
20.11.2003 |
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.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10
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.Описание изобретения к патенту
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![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216011/964.gif)
![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216066/8776.gif)
![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216007/916.gif)
![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216066/8776.gif)
![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216011/964.gif)
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
![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216007/916.gif)
![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216007/916.gif)
![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216055/8734.gif)
- 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:
![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216094/969.gif)
![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216094/969.gif)
![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216094/969.gif)
Тх"+х=F(z);
y"+
![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216010/945.gif)
z
![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216012/698.gif)
![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216010/945.gif)
![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216009/697.gif)
![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216094/969.gif)
![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216010/945.gif)
![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216009/697.gif)
![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216853/2216853-2t.gif)
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/
![устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям, патент № 2216853](/images/patents/252/2216007/916.gif)
Класс H04B3/54 системы передачи информации по линиям энергоснабжения