Способ формирования и обработки сигнала для приема и передачи информации по силовым проводам и устройство для его осуществления
Использование: для организации каналов связи с использованием трехфазной электрической сети. Технический результат заключается в повышении скорости передачи информации, уменьшении вероятности ошибки при приеме, в увеличении дальности связи, что достигается использованием многочастотной ЧМ-модуляции в диапазоне частот от 100 до 150 кГц. Вход устройства на передающей стороне соединен с Портом Ввода/Вывода через последовательно соединенные интерфейс, кодер, модулятор, формирователь синусоидального сигнала, усилитель мощности и блок согласования с электросетью. На принимающей стороне Порт Ввода/Вывода соединен с Выходом устройства через последовательно соединенные блок согласования с электросетью, фильтр, усилитель, преобразователь синусоидального сигнала, цифровой фильтр, демодулятор, декодер, и интерфейс. Тактовый генератор соединен параллельно с кодером, модулятором, декодером, демодулятором, цифровым фильтром, реализованными в ПЛИС. ПЛИС использует алгоритм передачи, позволяющий преобразовать входные данные в оптимальный вид сигнала для передачи по силовым проводам, и алгоритм приема, позволяющий преобразовывать сигнал из сети электропитания в сигнал, соответствующий устройству ввода-вывода, соединенному с предлагаемым устройством. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при организации каналов связи.
Известно устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям (патент RU 2216853, Н 04 В 3/54, 20.11.2003 г.), содержащее приемник, передатчик, модулятор, демодулятор, кодер и декодер, генератор хаотического сигнала, генерирующий в диапазоне от 0,009 до 30 МГц, а так же фильтр, имеющий полосу пропускания 0,001-30 МГц. Известно, что с ростом частоты увеличивается затухание сигнала в проводниках. Кроме того, частоты свыше 150 кГц используются в радиосвязи, поэтому использование этих частот в сетях электропитания будет создавать помехи радиоприему. В описанном устройстве генератор хаотического сигнала, кодер канала, модулятор, усилитель и интегратор выполнены в виде платформы с цифровым сигнальным процессором, цифроаналоговым и аналого-цифровым преобразователями, что приводит к значительному удорожанию устройства.
Общеизвестными являются способы передачи и приема сигналов, при которых в качестве управляемого генератора используется управляемый напряжением генератор (ГУН) или синтезатор частот, что накладывает повышенные требования к характеристикам входящих в них высокочастотных элементов, а так же требует точного подбора этих элементов при настройке и дальнейшей регулировки.
Наиболее близким по своей сущности является способ передачи и приема сигналов, осуществленный в устройстве для передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети (патент RU 2156031, Н 04 В 3/54, 10.09.2000 г.), содержащем передатчик активно-пассивного типа, гетеродин, фильтры напряжения симметричных составляющих, блоки согласования, усилители. Передача информации осуществляется посредством 4 частот. При этом передаваемая информация представляет собой последовательности информационных символов верхнего (СВ) и нижнего (СН) уровней. Для передачи каждый из уровней преобразуется в пару несовпадающих частот. Информация передается в электрическую сеть последовательной передачей таких пар. При приеме информации из сети отфильтровываются четыре различных частоты (f1, f2, f3, f4), причем одновременно принимается только одна пара частот, определяющая СВ либо СН. Недостатком описанного способа является значительная сложность электрической схемы и конструкции, требующиеся для его осуществления, низкая скорость передачи данных, определяемая частотой сети, а также ограниченная помехозащищенность. Сложность схемы увеличивает трудоемкость, так как при настройке каждого из изделий требуется подбор высокоточных элементов (таких как индуктивности и емкости), входящих в фильтры. Подключение множества блоков непосредственно к сети понижает надежность устройства, так как требуется защита от перенапряжений и мощных импульсных помех в каждом из подключений. Все это приводит к сложности электрической схемы и удорожанию устройства в целом.
Целью предлагаемого изобретения является создание способа формирования и обработки сигнала для приема и передачи данных по силовым проводам и устройства для его осуществления, реализующих повышение помехоустойчивости, значительное увеличение скорости передачи информации и дальности связи, снижение требований к стабильности тактового генератора.
Указанная цель достигается тем, что используется полоса частот от 100 до 150 к Гц. Такой диапазон является оптимальным, так как отсекаются низкие частоты, в которых присутствуют промышленные помехи (помехи от электродвигателей), и высокие быстрозатухающие частоты.
При передаче с устройства ввода/вывода (PC, контроллер) поступает пакет информации, состоящий из непрерывного потока битов. Этот поток битов разбивается на пары бит, причем каждой паре бит ставится в соответствие одна из четырех рабочих частот. Из полученных частот формируются блоки, состоящие из двух пар частот, причем вторая пара дублирует первую, а для повышения помехоустойчивости все четыре частоты, образующие эти пары, имеют различные значения. Полученная последовательность блоков частот непрерывным потоком передается в электрическую сеть.
При приеме принимаемый поток частот разбивается на блоки, состоящие из двух пар частот. При отсутствии ошибки на приеме первой пары частот вторая пара частот игнорируется. При возникновении ошибки на приеме (затухание одной из частот или ее заглушение мощной помехой) информация дублируется второй парой принимаемых частот, при этом вероятность ошибки при приеме значительно уменьшается. Каждой частоте присваиваются соответствующие ей два бита информации (00, 01, 10, 11). Принятые таким образом четыре бита информации отправляются на принимающее устройство (устройство ввода/вывода).
Указанная цель достигается так же тем, что преобразование (принимаемой и передаваемой информации) осуществляется в носителе информации, представляющем собой программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС). ПЛИС использует алгоритм передачи, позволяющий преобразовать входные данные в оптимальный вид сигнала для передачи по силовым проводам, и алгоритм приема, позволяющий преобразовывать сигнал из сети электропитания в сигнал, соответствующий устройству ввода-вывода, соединенному с предлагаемым устройством.
Предлагаемый способ осуществляется в устройстве для приема и передачи данных по силовым проводам, в котором на передающей стороне первый Вход интерфейса, являющийся одновременно Входом устройства, соединен с Портом Ввода/Вывода (Порт Вв/Выв) через первый Выход интерфейса и последовательно соединенные с ним кодер и модулятор, реализованные в ПЛИС, формирователь синусоидального сигнала, усилитель мощности и блок согласования с электросетью, а на принимающей стороне Порт Вв/Выв соединен с вторым Выходом интерфейса, являющимся одновременно Выходом устройства, через последовательно соединенные блок согласования с электросетью, фильтр, усилитель, преобразователь синусоидального сигнала, а также цифровой фильтр, декодер и демодулятор, реализованные в ПЛИС, и второй Вход интерфейса, а тактовый генератор через третий Вход ПЛИС соединен параллельно с кодером, модулятором, декодером, демодулятором, цифровым фильтром.
Предлагаемое устройство позволяет осуществлять прием информационных потоков из сети и передачу их принимающему устройству (PC, контроллер) без накопления и задержки в промежуточной памяти устройства, а так же увеличивать дальность связи. Поэтому появляется возможность принимать и передавать бесконечно длинные пакеты информации с большой скоростью и с минимальными искажениями. Схема устройства, осуществленная с применением описанных способов приема-передачи, обладает по сравнению с известными устройствами значительной простотой, не требует дополнительной регулировки каждого изделия, расходов на написание программного обеспечения и программирование микросхем.
На чертеже представлена функциональная схема устройства для приема и передачи данных по силовым проводам.
В Таблице 1 приведено соответствие значений информационных пар битов номерам частот и выбранным рабочим частотам.
В Таблице 2 приведено соответствие значения информационных пар битов рабочим частотам в зависимости от положения частоты в информационном блоке, состоящем из двух пар частот.
Предлагаемая на чертеже схема устройства для приема и передачи данных по силовым проводам содержит программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) 1, в которой реализованы кодер 2, модулятор 3, декодер 4, демодулятор 5, цифровой фильтр 6, причем Входы кодера и цифрового фильтра являются первым и вторым Входами ПЛИС соответственно, а Выходы модулятора и декодера - первым и вторым Выходами ПЛИС соответственно, при этом на передающей стороне Вход 1 интерфейса 7, являющийся одновременно Входом устройства, соединен с Портом Ввода/Вывода через Выход 1 интерфейса 7 и последовательно соединенные с ним кодер и модулятор, реализованные в ПЛИС, формирователь синусоидального сигнала 8 (формирователь sin), усилитель мощности 9 и блок согласования с электросетью 10, а на принимающей стороне Порт Ввода/Вывода соединен с Выходом 2 интерфейса 7, являющимся одновременно Выходом устройства через последовательно соединенные блок согласования с электросетью, фильтр 11, усилитель 12, преобразователь синусоидального сигнала 13, цифровой фильтр, декодер и демодулятор, реализованные в ПЛИС, и Вход 2 интерфейса. Тактовый генератор 14 через третий Вход ПЛИС соединен параллельно с кодером, модулятором, декодером, демодулятором, цифровым фильтром. ПЛИС использует алгоритм передачи, позволяющий преобразовать входные данные в оптимальный вид сигнала для передачи по силовым проводам, и алгоритм приема, позволяющий преобразовывать сигнал из сети электропитания в сигнал, соответствующий устройству ввода-вывода, соединенному с предлагаемым устройством.
Устройство предназначено для работы в трехфазной электрической сети (0,38-10-35-110) кВ без ее обработки высокочастотными заградителями, при этом передачу и прием сигналов производят со стороны 0,38 кВ, а для работы используется многочастотная ЧМ-модуляция и задаются четыре различных рабочих частоты из полосы частот от 100 до 150 кГц.
Устройство работает следующим образом. При передаче передаваемые данные поступают через Вход устройства, являющийся Входом 1 интерфейса, в котором осуществляется гальваническая развязка устройства для защиты от перенапряжений и преобразуются уровни сигнала. В качестве интерфейса для подключения стандартных устройств вычислительной техники и связи в предлагаемом устройстве передачи и приема сообщений по электросетям могут быть введены интерфейс RS 232 либо интерфейс RS 485.
Преобразованные данные с Выхода 2 интерфейса поступают в кодер. Для обработки передаваемая информация считывается кодером последовательно попарно (по два последовательных бита из поступающего информационного потока). При этом каждой паре в зависимости от поступившего значения (00, 01, 10, 11) однозначно ставится в соответствие номер частоты (ni) из таблицы 1, определяющий частоту из набора выбранных четырех рабочих частот в диапазоне от 100 до 150 к Гц. Для снижения вероятности появления ошибки на приеме при передаче в модулятор каждая пара номеров частот (n1, n2) дублируется кодером парой номеров частот с другими значениями (n3, n4), которые при расшифровке дают ту же информацию, что и первая пара, по установленному соответствию пар битов (например, паре 00 для дублирования соответствует пара 10, а паре 01 - пара 11). Причем в данной последовательности номеров частот все значения различны и определяются четырьмя битами (половиной байта), например, 0001, 0010, 0100, 1000.
Таким образом, на Вход модулятора поступает непрерывная последовательность номеров частот, соответствующая информационным парам битов.
Частота, вырабатываемая тактовым генератором, делением преобразуется в модуляторе в частоты с f1 по f4 соответственно таблице 1. За счет получения частоты в модуляторе цифровым способом достигается высокая стабильность частоты. Каждому поступающему номеру частоты ni модулятор ставит в соответствие частоту fi из таблицы 1, которая поступает в виде последовательности на Выход модулятора (Выход 1 ПЛИС), причем эта последовательность разбита на блоки, состоящие из двух пар частот соответственно парам номеров частот. Причем частота представляет собой сигнал прямоугольной формы. Таким образом, на Выходе 1 ПЛИС формируется непрерывная последовательность частот в виде последовательности импульсов прямоугольной формы, что позволяет оптимально просто формировать синусоидальный сигнал при одновременной стабильности частот.
Формирователь sin представляет собой фильтр низких частот с высокой добротностью, благодаря чему при входящем прямоугольном сигнале на его Выходе получается сигнал синусоидальной формы. При таком способе формирования синусоидального сигнала отпадает необходимость подбора высокоточных элементов, что характерно, например, для ГУН и синтезаторов частоты. Далее синусоидальный сигнал усиливается в усилителе мощности и попадает в блок согласования с электросетью. Блок согласования с электросетью представляет собой согласующий высокочастотный трансформатор с элементами защиты от высоких напряжений и импульсных помех. С Выхода этого блока через Порт Ввода/Вывода сигнал попадает в электрическую сеть.
При приеме сигнал из электрической сети попадает в устройство через Порт Ввода/Вывода и блок согласования с электросетью 10. Полосовой фильтр 11 пропускает частоты, лежащие в рабочей полосе частот. Усилитель 12 усиливает входной сигнал до величины, необходимой для правильной работы устройства (не менее 0,1 В). Преобразователь синусоидального сигнала преобразовывает сигнал в прямоугольную форму с ТТЛ-уровнями. Далее сигнал поступает на Вход 2 ПЛИС, являющийся одновременно Входом цифрового фильтра, в котором сигнал дополнительно фильтруется, так что на его Выход поступает только полезный сигнал (частоты fi), причем для каждой рабочей частоты реализован свой фильтр. В демодуляторе 4 каждой принятой рабочей частоте присваивается соответствующая пара бит. Полученная битовая последовательность поступает в декодер 5, где по заданному алгоритму выделяется полезная информация. Выделенная информация через Выход 2 ПЛИС поступает на Вход 2 интерфейса. Через интерфейс осуществляется преобразование и передача сигнала на внешнее устройство через Выход 1 интерфейса, являющийся Выходом устройства.
В описанном выше процессе приема сигнала из электрической сети получаемый цифровым фильтром пакет информации состоит из последовательности частот fi, причем вся последовательность разбивается на блоки, состоящие из двух пар частот. Для повышения помехоустойчивости все четыре частоты, образующие эти пары, имеют различные значения. Алгоритм, реализованный в приемной части ПЛИС, позволяет определить наличие или отсутствие ошибки при приеме информации из электрической сети. При отсутствии ошибки на приеме первой пары частот вторая пара частот игнорируется. При возникновении ошибки на приеме (затухание одной из частот или ее заглушение мощной помехой) информация считывается со второй пары принимаемых частот. В этом случае соответствие битов принимаемым частотам идет согласно таблице 2. При таком способе вероятность ошибки при приеме информации значительно уменьшается. Каждой частоте присваиваются соответствующие ей два бита информации (00, 01, 10, 11) по установленному соответствию пар битов. Принятые таким образом четыре бита информации отправляются на принимающее устройство (PC, контроллер).
В ПЛИС цифровой фильтр, демодулятор, декодер, кодер, модулятор реализуются следующим образом. Цифровой фильтр - устройство с одним входом и четырьмя выходами. Входной сигнал делится на 2, при этом скважность импульсов становится равной 2 и происходит синхронизация с тактовым генератором. Каждый импульс полученного сигнала сравнивается по длительности с длительностью образцового импульса. Разность между длительностями образцового и принятого импульсов указывает на частоту пришедшего сигнала. В соответствии с принятой частотой на одном из четырех выходов цифрового фильтра появляется уровень логической единицы.
Демодулятор представляет собой логическое устройство с четырьмя входами и одним выходом. Когда на одном из входов появляется логическая единица, демодулятор выдает на выход последовательно два бита, соответствующие этому входу (00, 01, 10, 11). В том случае, когда все входы демодулятора в состоянии 0 или более, чем на одном входе присутствует уровень логической единицы, на выходе демодулятора будет 0.
Декодер - устройство с одним входом и одним выходом. В декодере запоминаются четыре бита, пришедшие с демодулятора. Если при записи в декодер этих четырех бит только на одном входе демодулятора был уровень логической единицы, то на выход декодера направляются записанные 4 бита. В остальных случаях на выход декодера сразу направляются следующие 4 бита, соответствующие второй паре частот блока четырех частот.
Кодер - устройство с одним входом и четырьмя выходами. Кодер запоминает 2 бита со скоростью, используемой устройством (например, 4800, 9600, 19200 бит/с). Соответственно этой паре бит на одном из четырех выходов кодера появляется логическая единица.
Модулятор имеет 4 информационных входа, вход тактового генератора и один выход. Каждому входу соответствует свой коэффициент деления. Логическая единица на входе включает соответствующий делитель и пока держится единица на входе, на выход модулятора поступает меандр с частотой, полученной в результате деления тактовой частоты на коэффициент деления делителя. Передача прекращается, когда все информационные входы модулятора в состоянии 0.
Использование описанного способа приема и передачи данных позволяет избежать применения высокоточных термокомпенсированных элементов в схеме устройства для приема и передачи данных по силовым проводам, таких как кварцевый резонатор, входящие в фильтры конденсаторы, дроссели, резисторы, дает возможность использовать элементную базу общего применения. Одновременно упрощается электрическая схема, что позволяет уменьшить затраты на изготовление устройств для связи по электросетям, такие как дополнительное время, оборудование, затраты на написание программного обеспечения и программирование микросхем, а так же настройку каждого из изделий (не требуется подбор высокоточных элементов, таких как индуктивность и емкость входящих в отдельные блоки устройства). Позволяет обмениваться потоками информации без обработки их высокочастотными заградителями по сетям электропитания (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).
| Таблица 1 Соответствие значений информационных пар битов номерам частот и рабочим частотам | ||
| Значение информационной пары битов | Номер частоты, ni | Рабочая частота (100:150 кГц), fi |
| 00 | n1 | f1 |
| 01 | n2 | f2 |
| 10 | n3 | f3 |
| 11 | n4 | f4 |
| Таблица 2 Соответствие значения информационных пар битов рабочим частотам в зависимости от положения частоты в информационном блоке, состоящем из двух пар частот | ||
| Положение частоты | Значение информационной пары битов | |
| в первой паре | во второй паре | |
| f1 | f3 | 00 |
| f2 | f4 | 01 |
| f3 | f1 | 10 |
| f4 | f2 | 11 |
1. Способ формирования и обработки сигнала для приема и передачи информации по силовым проводам посредством четырех различных рабочих частот, при котором при передаче поступающую в виде непрерывного потока битов информацию разбивают на пары битов и в зависимости от поступившего значения каждой различной паре битов ставят в соответствие одну из четырех различных рабочих частот, выбираемых из полосы частот от 100 до 150 кГц, из которых формируют блоки, состоящие из двух пар частот, в которых все четыре частоты также имеют различные значения, причем вторая пара дублирует первую, при этом полученную последовательность блоков частот непрерывным потоком передают в электрическую сеть, а при приеме поток частот разбивают на блоки, состоящие из двух пар частот, причем при отсутствии ошибки на приеме первой пары частот вторую пару частот игнорируют, а при возникновении ошибки информацию дублируют второй парой частот и каждой частоте присваивают соответствующую пару битов информации.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что преобразование потока данных осуществляют в носителе информации, представляющем собой программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС).
3. Устройство для приема и передачи информации по силовым проводам, содержащее кодер, модулятор, декодер, демодулятор, отличающееся тем, что на передающей стороне первый Вход интерфейса соединен с Портом Ввода/Вывода через первый Выход интерфейса и последовательно соединенные с ним кодер, модулятор, формирователь синусоидального сигнала, усилитель мощности и блок согласования с электросетью, а на принимающей стороне Порт Ввода/Вывода соединен с вторым Выходом интерфейса через последовательно соединенные блок согласования с электросетью, фильтр, усилитель, преобразователь синусоидального сигнала, цифровой фильтр, демодулятор, декодер и второй Вход интерфейса, а тактовый генератор параллельно соединен с кодером, модулятором, декодером, демодулятором, цифровым фильтром.
4. Устройство для приема и передачи информации по силовым проводам по п.3, отличающийся тем, что кодер, модулятор, декодер, демодулятор и цифровой фильтр реализованы в носителе информации, представляющем собой ПЛИС.
