Способ широкополосной модуляции и устройство для передачи данных по распределительной сети

Изобретение относится к технике передачи по распределительным сетям. Технический результат состоит в сокращении полосы частот для канала передачи с неоднородным диапазоном частоты. Заявленный способ применяется в том случае, когда диапазон частот (В) распадается из-за занятых узкополосных каналов на несвязанные между собой частичные поддиапазоны частот. Способ позволяет непосредственно использовать выделенный диапазон частот и исключает занятые частоты без дополнительных затрат на аппаратное обеспечение. Диапазон частот (В) разделяется на N субканалов (SC_n), причем несущие тех субканалов (SC₂), которые содержат занятые частоты (EFR₁), не модулируются. Способ пригоден, в частности, для коммуникации через высоковольтные распределительные сети. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение касается области передачи данных по распределительным сетям. Оно относится к способу широкополосной модуляции согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к устройству для передачи данных по распределительной сети согласно ограничительной части пункта 10 формулы изобретения.

Уровень техники

В известных системах для передачи ограниченного объема данных используются каналы с узкой полосой частот. Например, для подобных систем связи, использующих распределительные сети высокого напряжения, ширина полосы частот одного канала составляет ≈4 кГц на несущей частоте ≈300 кГц. В существующих распределительных сетях уже применяются некоторые из таких каналов, и, следовательно, соответствующие диапазоны частот заняты.

Широкополосные системы коммуникации с большими скоростями передачи данных требуют большой ширины полосы частот, т.е. большого целостного диапазона частот. В соответствии с этим для вновь создаваемых передающих систем требуется освоение новых частот или в диапазоне занятых частот или существующих каналов необходимо придать последним новые несущие частоты. Однако по техническим и административным причинам сделать это часто невозможно.

Если доступными являются несколько диапазонов частот, которые однако разделены между собой занятыми каналами, то в каждом целостном диапазоне может быть обеспечена автономная система передачи. Это приводит к оптимальной скорости передачи данных, но и обуславливает существенные дополнительные затраты на аппаратное обеспечение.

Для широкополосных передающих систем с целостным или непрерывным диапазоном частот известны различные способы модуляции многочастотной несущей, например, OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов), OM-QAM (ортогональная многочастотная квадратурная амплитудная модуляция) или способ модуляции, называемый DMT (дискретная многочастотная передача), при которых предпочтительно используется быстрое обратное преобразование Фурье (IFFT) для перехода от частотного представления к временному.

В том случае, когда качество передающих каналов при способе многоканальной модуляции или модуляции нескольких несущих не известно или подвержено временным изменениям, то может применяться адаптивный способ передачи данных, как это раскрыто в патенте Германии DE 19850050 C1. В зависимости от передающих характеристик при этом постоянно проводится адаптация способов модуляции.

В WO 97/40609 описан способ МСМ (модуляция многочастотной несущей) для передачи данных по витой паре или коаксиальным проводникам, при котором заняты определенные диапазоны частот, например спектры радиолюбителей в диапазоне от 1 МГц до 12 МГц. Несущие частоты, которые приходятся на такие занятые диапазоны частот, не модулируются или заняты холостым сигналом.

Описание изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для экономной передачи данных по электрической распределительной сети, предназначенной для канала передачи с неоднородным диапазоном частоты. Эта задача решается с помощью способа широкополосной модуляции, характеризующегося приведенными в пункте 1 формулы изобретения признаками, и устройства для передачи данных по распределительной сети с признаками согласно пункту 10 формулы изобретения.

Сущность изобретения состоит в том, что передающий канал разделяют на несколько субканалов и что модулируют только носители тех субканалов, которые в соответствующем диапазоне частот субканала не содержат заблокированных или занятых частот. В результате становится возможным исключить одновременную передачу отдельными компонентами аппаратного обеспечения по каждому санкционированному диапазону частот.

В предпочтительном варианте осуществления в результате обратного преобразования Фурье вектор модуляции переводится из частотного представления в зависимую от времени величину. Те составляющие вектора, которые назначены блокированным субканалам, соответственно приравнивают к нулю.

Предпочтительно, чтобы способ коммуникации осуществлялся через высоковольтную распределительную сеть. В этом случае занятый диапазон частот часто является следствием другого информационного сигнала, с помощью которого может быть разделено устройство ввода.

В рамках настоящего изобретения будут рассмотрены в обобщенном виде одновременно все доступные диапазоны частот для одного единственного канала передачи. Заблокированные диапазоны, располагающиеся между двумя доступными диапазонами частот, исключаются из передачи с помощью способа модуляции, согласно изобретению, без дополнительных затрат на аппаратное обеспечение. Изобретение позволяет производить гибкую и непосредственную перестройку не целостной полосы частот, а также ее оптимальное использование при передаче данных.

Другие предпочтительные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Краткое описание фигур

Ниже более подробно изобретение поясняется с помощью примеров осуществления со ссылками на чертежи, на которых:

фиг.1 изображает спектр частот с полезной шириной полосы В частот;

фиг.2 - компоненты передатчика;

фиг.3 - операции, выполняемые, согласно изобретению, с помощью передатчика.

Использованные на чертеже позиции приводятся в перечне позиций. В принципе одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.

Пути осуществления изобретения

На фиг.1 показан диапазон частот полосы В, предназначенный для передачи данных. В пределах диапазона располагаются три поддиапазона частот EFR₁, EFR₂ и EFR₃, которые уже используются и исключены для передачи данных. Диапазон полосы В разделен на N субканалов SC₁-SC_N соответственно с несущей частотой f_n. Некоторые частоты, располагающиеся у края диапазона полосы В частот, возможно не отнесены ни к какому субканалу. При объединении всех субканалов SC₁-SC_N образуется канал С передачи, фактически используемая полоса частот которого составляет f_s≤В и средняя арифметическая частота которого обозначается f_c. В том случае, когда несущие частоты f₁-f_N субканалов SC₁-SC_n являются равноудаленными, то минимальный полезный интервал между двумя исключенными диапазонами определяет полосу частот Δf субканала, тогда действительно: f_s=N·Δf. Само собой разумеется, что необходимо учитывать и другие критерии, например, предпочтительно, чтобы общее число N субканалов соответствовало бы какой либо степени числа 2. В целом считается необходимым отыскание оптимума между количеством субканалов, их полосами частот и количеством тех субканалов, которые содержат в себе занятые частоты. В приведенном на фиг.1 примере из общего количества субканалов N=8 заняты субканалы 2, 4, 6, следовательно, для передачи данных в распоряжении имеются еще субканалы N'=5.

На фиг.2 схематически показана структура передатчика для передачи данных D с помощью способа, согласно изобретению. Передатчик содержит конвертер 1, модулятор 2, преобразователь, обозначенный блоком 3, и смеситель 4, на выходе которого происходит передача сигнала S2 через блок 5 ввода по линии 6 электропередачи в качестве физической несущей среды. Все названные блоки, в том числе и блок 5 ввода, охарактеризованы в существенной степени описанными ниже и представленными на фиг.3 функциями, причем блоки 1-3 применяются в соответствии с их назначением и при упомянутых выше способах. Отдельные функции не требуется реализовывать в виде разных физических компонентов, они могут выполняться только одним блоком или микропроцессором.

Передаваемые данные D вводят во временной последовательности, т.е. один бит за другим, в конвертер 1. Блок данных в количестве М битов разделяется на N' субблоков (sub-blocks) SB_n соответственно с длиной бита m_n (n=1-N').

Затем такие субблоки SB_n одновременно дополнительно обрабатываются в модуляторе 2.

Каждый субблок SB_n или его m_n-значная последовательность битов однозначно отображается в виде подмножества комплексных чисел. Следовательно, с субблоком соотносится его кодовое комплексное число Z_n, которое при представлении частот пропорционально амплитуде или другому модулируемому параметру несущей n-го субканала SC_n. Согласно изобретению заблокированным субканалам придана нулевая амплитуда, в результате чего по каждому блоку данных определяется N-элементный вектор модуляции V с N' отличных от нуля элементов Z_n при N'<N. Затем преобразуют этот вектор V, в результате чего получают единственный сигнал S2 (t), зависящий от времени.

На стороне приемника действуют соответственно в обратной последовательности. Принятый сигнал S2 сначала обратно преобразуют в частотное представление, после чего декодируют на основе относящихся к отдельным несущим частотам последовательности битов, соответствующих субблокам.

Для упрощения, ниже исходят из того, что несущие частоты субканала f_n являются равноудаленными и что все субканалы содержат одинаковое количество битов, т.е. что m_n=m. Предпочтительно, чтобы указанное преобразование было обратным преобразованием Фурье (IFFT) и формировало комплексную, зависящую от времени DMT-величину S1 с действительной частью Q и мнимой частью I. Такая величина S1 соответствует суперпозиции модулированных субканалов и состоит из N дискретных точек с временным интервалом T_s. Этот интервал обратно пропорционален частоте дискретизации и соответствует обратной величине полосы частот 1/f_s канала С передачи. Каждая величина S1, соответствующая блоку данных передаваемого потока данных, характеризуется длиной N·T_s и может быть, кроме того, дополнена циклическим смещением (СР). Длина циклического смещения СР должна быть равна длине импульсной переходной характеристики канала С передачи. Этим обеспечивается ортогональность модулированных субканалов, упрощается синхронизация приемника и реконструкция переданных данных из принятого сигнала.

Величина S1, полученная посредством названного преобразования, должна быть впоследствии отображена с учетом еще одного параметра, такого как амплитуда, фаза или несущая частота. Например, при квадратичной модуляции амплитуды происходит смещение в сторону центральной частоты f_c канала передачи, вызванное смесителем I/Q. Последний образует на основе комплексной величины S1 путем умножения на центральную несущую частоту f_c, т.е. на cos(2πF_сt) или sin(2πF_сt) и последующего прибавления передаваемый, реальный, непрерывный во времени сигнал S2 (t). В противоположность диапазону радиочастот такой процесс может быть, как и все предыдущие операции, также цифровым благодаря низкой несущей частоте f_с, составляющей, как правило, менее 1 МГц. Однако для этого необходимо увеличить частоту дискретизации с помощью интерполяции до величины f_s'>2f_c.

Модуляция, произведенная с помощью модулятора 2, происходит в соответствии с форматом 2^m-QAM. Комплексное число Z_n выбирается при этом из 2^m дискретных точек. Для подавления помех, зависящих от частоты, можно применять от субканала к субканалу меняющиеся коэффициенты усиления.

Для системы коммуникации через высоковольтную распределительную сеть типичными величинами являются f_c=240 кГц, В=128 кГц и повышенная частота дискретизации f_s'=2.048 МГц. Для упомянутого типа модуляции 2^m-QAM типичной величиной является m=4, которая однако может быть согласована в зависимости от ожидаемого уровня шума. Описанный способ передачи не ограничивается высоковольтной распределительной сетью, он может также применяться, например, для доступа в Интернет "list-mile" ("длинная миля") через распределительную сеть низкого напряжения.

Другие предпочтительные варианты осуществления возможны в том случае, если уже имеется канал данных для передачи сигнала S3, который занимает таким образом исключенный диапазон частот (EFR). Дополнительный полезный сигнал может накладываться на занимающий сигнал без необходимости приобретения дополнительного оборудования. Это достигается за счет того, что в данном случае блок ввода 5, предусмотренный для существующего канала данных, одновременно используется и для ввода сигнала S2, полученного согласно изобретению.

Перечень позиций

1 конвертер

2 модулятор

3 преобразователь

4 смеситель

5 блок ввода

6 распределительная сеть

С канал передачи (communication channel)

f_c центральная частота канала передачи

EFR заблокированный диапазон частот (excluded frequency range)

SC_n субканал (sub-channel)

f_n несущая частота

Δf полоса частот субканала

SB_n субблок (sub-block)

m_n длина бита

S1 комплексная величина

S2 действительный сигнал

S3 сигнал занятия.

1. Способ широкополосной модуляции для передачи данных по распределительной сети (6) по каналу передачи (С), содержащему по меньшей мере один поддиапазон частот (EFR₁), недоступный для передачи, отличающийся тем, что канал передачи (С) разделяют на N субканалов (SC_n), каждый с одной несущей частотой (f_n), и несущую по меньшей мере одного субканала (SC₂), содержащего по меньшей мере один недоступный для передачи поддиапазон частот (EFR₁), не модулируют.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на основе передаваемого блока N' данных формируют субблоки и каждому субблоку (SB_n) присваивают комплексное число (Z_n), образующее элемент вектора (V), при этом каждый из N элементов вектора (V) присваивают одному из N субканалов (SC_n), и вектор (V) преобразуют в зависимую от времени величину (S1), при этом элементам вектора (V), соответствующим по меньшей мере одному заблокированному субканалу (SC₂), присваивают нулевой показатель.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что канал передачи (С) содержит центральную частоту (f_c), при этом величину (S1) используют для модуляции центральной несущей частоты (f_c).

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что центральная частота (f_c) составляет менее 1 МГц и что передаваемый блок данных преобразуют в цифровой форме в модулированный несущий сигнал (S2).

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что модулированный несущий сигнал (S2) одновременно с другим сигналом (S3) вводят через один и тот же блок ввода (5) в распределительную сеть (6).

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что интервал (Δf) несущих частот (f_n) субканалов (SC_n) сохраняют постоянным и что преобразованием является обратное преобразование Фурье (IFFT).

7. Способ по п.2, отличающийся тем, что величину (S1) дополняют циклическим смещением (СР).

8. Способ по п.2, отличающийся тем, что субблоки (SB_n) имеют одинаковую длину (m).

9. Способ по п.2, отличающийся тем, что комплексные числа (Z_n), присвоенные субблокам (SB_n), составляют 2^m-QAM.

10. Устройство для передачи данных по распределительной сети (6) с помощью передатчика и канала передачи (С), содержащего по меньшей мере один поддиапазон частот (EFR₁), заблокированный для передачи, отличающееся тем, что канал передачи (С) разделен на N субканалов (SC_n), каждый с одной несущей частотой (f_n), и что несущая по меньшей мере одного субканала (SC₂), содержащего по меньшей мере один недоступный для передачи поддиапазон частот (EFR₁), не модулирована.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что передатчик содержит средства (1, 2, 3) формирования из передаваемого блока данных N' субблоков и присвоения каждому субблоку (SB_n) комплексного числа (Zn), образующего элемент вектора (V), элементы N которого присвоены одному или N субканалам (SC_n), и придания каждому элементу вектора (V), соотнесенному с заблокированным субканалом (SC₂), нулевого значения, а также перевода вектора (V) в результате соответствующего преобразования в величину (S1), зависимую от времени.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что передатчик содержит средства (4) модуляции центральной несущей частоты (f_c) канала передачи (С) с использованием зависимой от времени величины (S₁).

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что центральная частота (fc) составляет менее 1 МГц, и средства (1, 2, 3, 4) формирования выполнены с возможностью перевода блока данных в цифровой форме в модулированный несущий сигнал (S2).

14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что содержит блок (5) ввода модулированного несущего сигнала (S2) одновременно с другим сигналом (S3) в распределительную сеть.