Способ геометрической гармонической модуляции сигнала

Использование: в системах автоматического сбора данных с датчиков охранной и пожарной сигнализации, со счетчиков электроэнергии, расхода тепла, воды, газа и данных фискальной памяти контрольно-кассовых машин. Техническим результатом является значительное уменьшение энергопотребления передатчиками подчиненных узлов системы и/или увеличение дальности ее действия. Для кодирования каждого символа передаваемых данных используется уникальное случайное или псевдослучайное множество разностей начальных пар ближайших пар гармоник, при этом указанные множества разностей начальных фаз выбираются таким образом, чтобы минимизировать пик-фактор суммарного сигнала. В случае срабатывания датчика пожарной сигнализации достаточно передать на пульт тревожного предупреждения всего лишь один символ, однозначно идентифицирующий местоположение сработавшего датчика, как правило, таким символом является условный номер или адрес, заранее присвоенный датчику. 2 ил.

 

Изобретение относится к технике сбора данных и сигнализации по распределительным электросетям переменного тока и может быть использовано для низкоскоростного сбора данных с удаленных датчиков охранной и пожарной сигнализации, со счетчиков электроэнергии, расхода тепла, воды, газа и т.п.

Известна система связи по распределительной электросети переменного (патент США №5844949, кл. Н 04 В 001/10; H 04 L 025/08; H 03 D 001/04, от 01.12.1998 г.), состоящая из передатчика, излучающего сигнал с геометрической гармонической модуляцией, и приемника для его приема и декодирования. Основной недостаток данной системы связи заключается в том, что для кодирования передаваемого сигнала в ней используется относительная фазовая модуляция (ОФМ) на каждой из излучаемых гармоник. Это обстоятельство не позволяет энергетически эффективно передавать информацию небольшими порциями, например по одному биту или по одному символу за раз, т.к. при использовании ОФМ для передачи одного бита или символа необходимо излучить как минимум два сигнала, опорный и информационный.

Известна также система связи по электросети переменного тока (патент США №6329905, кл. Н 04 М 011/04, от 23.03.2000 г.), передатчик которой излучает сигнал, состоящий из двух гармоник с относительной фазовой модуляцией между ними, причем частоты указанных гармоник кратны половине основной частоты сетевого напряжения. Основным недостатком данной системы является ее заведомо низкая помехоустойчивость, связанная с тем, что для передачи данных в ней используется сигнал, энергия которого сосредоточена всего в двух узких областях, так что наличие периодической помехи, частота которой случайно совпадет с одной из частот передачи, сделает такую систему связи полностью неработоспособной. Кроме того, поскольку частоты указанных гармоник довольно сильно отличаются друг от друга (в разы), то и их относительные фазы в точке приема будут сильно и случайным образом флуктуировать друг относительно друга одновременно с флуктуациями частотно-фазовой характеристики среды распространения сигнала, что сделает невозможным декодирование сигнала в точке приема.

Задача изобретения состоит в создании способа модуляции сигнала, ориентированного на передачу данных небольшими порциями (например, по одному биту) через большие интервалы времени, энергетически более эффективного, чем ныне известные, который позволил бы в самой неблагоприятной помеховой обстановке и при наличии сильного затухания сигналов собирать данные от большого количества подключенных к электросети переменного тока низкоскоростных датчиков, таких как, например, датчики охранной и пожарной сигнализации.

Технический результат - уменьшение энергопотребления передатчиками подчиненных узлов системы и увеличение дальности ее действия. Указанный технический результат при осуществлении данного изобретения достигается тем, что в отличие от известных способов, в качестве объекта модуляции используются разности фаз соседних гармонических составляющих сигнала, что по сравнению с традиционной ОФМ позволяет вдвое сократить длительность информационного сигнала при полном сохранении характеристик его помехоустойчивости. Отметим, что указанный выигрыш будет иметь место исключительно при передаче небольших порций данных, таких как один бит, или в более широкой трактовке - один символ. Во многих практических случаях этого оказывается вполне достаточно, например в случае срабатывания датчика пожарной сигнализации достаточно передать на пульт тревожного предупреждения всего лишь один символ, однозначно идентифицирующий местоположение сработавшего датчика (как правило, таким символом является условный номер или адрес, заранее присвоенный данному датчику).

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации с целью выявления источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными признакам заявленного изобретения, и определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня был проведен дополнительный поиск известных признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не известны технические решения, в которых для модуляции сигналов используются разности фаз большого количества соседних гармонических составляющих сигнала.

Заявляемый способ геометрической гармонической модуляции сигнала модуляции сигнала поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена блок-схема системы сбора данных по электросети переменного тока от большого количества датчиков пожарной сигнализации, в которой используется предлагаемый способ модуляции.

На фиг.2 изображена диаграмма, иллюстрирующая принцип формирования временных меток первичной (битовой) синхронизации.

Осуществление изобретения будет продемонстрировано на примере системы сбора данных от датчиков пожарной сигнализации (фиг.1), которая состоит из одного главного узла 1 и нескольких подчиненных узлов 2. Все узлы системы подключены электрически к одному и тому же сегменту силовой сети 3. Внутреннее устройство главного и подчиненных узлов очень похоже и включает в себя следующие элементы: блок защиты и сопряжения сигналов 4, полосовые фильтры 5 и 6, аналого-цифровой преобразователь 7, цифроаналоговый преобразователь 8, компаратор с гистерезисом 9, вход прерывания 10. Отличие заключается в том, что главный узел системы выполнен на базе мощного процессора цифровой обработки сигналов 11 и фазовых таблиц 12, причем процессор цифровой обработки сигналов имеет канал связи с внешним миром 13, а более простой и дешевый подчиненный узел целиком выполнен на универсальном микроконтроллере 14 и сигнальной таблице 15, причем к микроконтроллеру 14 через линию связи 16 подключен первичный датчик пожарной сигнализации 17, например детектор задымленности. Рабочий диапазон частот системы 20... 95 кГц. Сигнал от подчиненного узла передается в этом диапазоне на 96 гармониках, отстоящих друг от друга ровно на 781,25 Гц.

Система сбора данных работает следующим образом (фиг.1, 2). Компараторы 9 выделяют моменты, когда сетевое напряжение 18 становится равным нулю 19, формируя, таким образом, практически синхронную для всей системы последовательность меток времени 20, которая служит для целей первичной (символьной) синхронизации процесса передачи данных от подчиненных узлов к главному.

При срабатывании первичного датчика 17 микроконтроллер 14 начинает периодически "воспроизводить" через ЦАП 8 свою, сохраняемую в постоянной памяти и уникальную для каждого подчиненного узла 2, сигнальную таблицу. Длительность "воспроизведения" сигнальной таблицы в точности равна одному полупериоду сетевого напряжения, а начало "воспроизведения" определяется моментом срабатывания компаратора 9, которое происходит в момент равенства нулю сетевого напряжения на линии 3. Сигнал с выхода ЦАП 8 далее отфильтровывается полосовым фильтром 6 для устранения из него внеполосных составляющих и через блок защиты и сопряжения 4 подается в сетевую линию 3. Сигнальная таблица 15 является уникальной для каждого из подчиненных узлов 2. Множество сигнальных таблиц синтезируется еще до развертывания сети сбора данных с использованием следующего метода. С помощью генератора случайных или псевдослучайных чисел генерируется множество-кандидат из 96 чисел ϕ к, принадлежащих интервалу [0... 2π [. Далее это множество используется для синтеза сигнала вида

где m=0... 95, a f_m - 96 равноотстоящих друг от друга гармоник, расположенных с шагом 781,25 Гц в полосе рабочих частот системы (20... 95 кГц). Сигналы s(t) с хорошим значением пик-фактора и наборы фаз для них сохраняются в виде таблиц для дальнейшего использования. Как показывает практика, вероятность того, что по данному случайному множеству из 96 разностей фаз будет синтезирован сигнал с пик-фактором, который будет проигрывать пик-фактору чистого синуса всего на 4 дБ, достаточно высока. При развертывании системы отобранные вышеописанным способом различные сигнальные таблицы записываются в каждый из подчиненных узлов 2. Сигнал передатчика подчиненного узла проходит по сегменту силовой сети 3, где складывается с шумами, ослабляется, подвергается различным видам линейных и нелинейных искажений и поступает в главный узел сети 1, где проходит через устройство сопряжения 4, полосовой фильтр 5 и оцифровывается в АЦП 6. Цифровой сигнальный процессор 13 сохраняет все выборки АЦП, принадлежащие данному битовому интервалу и производит над ними операцию быстрого преобразования Фурье (БПФ). Результатом этой операции является множество комплексных фурье-коэффициентов из которого для осуществления последующих действий используются только те 96 коэффициентов, частоты которых совпадают с частотами, на которых подчиненный узел передает свои данные, обозначим их далее как C_m, где m=0... 95. На следующей стадии вычисляются произведения

где Δ ϕ _k=ϕ _k-ϕ _k-1, ϕ _m - соответствующий набор фаз, взятый из фазовых таблиц 12, который был использован для формирования сигнальной таблицы данного подчиненного узла, k=1... 95, m=0... 95, а звездочка означает комплексное сопряжение. Далее для каждого подчиненного узла вычисляется оценка в виде суммы

S=∑ sign{Re(D_k)}.

Смысл этих действий заключается в том, что произведения С_k·(С_k-1)^* представляют собой комплексные векторы, углы поворота которых равны разностям фаз соседних гармоник в принятом сигнале, а величины D_k - те же векторы, только "довернутые" по направлению к действительной оси на угол, в точности противоположный тому, который был использован для модуляции этих гармоник в передатчике подчиненного узла. Таким образом, при наличии в данном битовом интервале "правильного" сигнала от подчиненного узла соответствующая ему группа комплексных чисел D_k начнет концентрироваться вдоль направления действительной оси, и сумма S покажет большое положительное отклонение. Если же в данном битовом интервале полезного сигнала от подчиненного узла нет, то, как легко видеть, величина S будет представлять собой нормально распределенную случайную величину с нулевым средним и среднеквадратическим отклонением около 10 единиц. Обнаружение сигнала от данного подчиненного узла завершается сравнением суммы S с некоторым заранее выбранным достаточно большим порогом.

По сравнению с известными способами геометрической гармонической модуляции вышеописанный сигнал имеет в два раза меньшую эффективную длительность, что позволяет во столько же раз понизить энергопотребление подчиненного узла с одновременным сохранением всех характеристик помехоустойчивости системы.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в области электросетевой связи, а именно в системах сбора данных от удаленных датчиков;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимых пунктах формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеизложенных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Способ геометрической гармонической модуляции сигнала, состоящего из множества равноотстоящих друг от друга по частоте гармоник в системе сбора данных по электросети переменного тока, отличающийся тем, что для кодирования каждого символа передаваемых данных используют уникальное случайное или псевдослучайное множество разностей начальных фаз ближайших пар вышеуказанных гармоник, при этом указанные множества разностей начальных фаз выбирают таким образом, чтобы минимизировать пик-фактор суммарного сигнала.