Способ передачи данных при помощи тока несущей
В изобретении предлагается способ передачи данных на токе несущей с использованием полосы частот. Технический результат: упрощение синхронизации. В соответствии с указанным способом, полосу частот разбивают на N подполос, где N представляет собой целое число, большее двух или равное двум; применяют технику OFDM (ортогонального мультиплексирования деления частоты) на каждой из указанных подполос; и осуществляют операции вычисления на каждой из подполос. Способ в соответствии с изобретением характеризуется тем, что вычисления, основанные на каждой из подполос, являются независимыми от вычислений, основанных на других подполосах, причем указанные подполосы активизируются и назначаются динамическим образом. В изобретении предлагаются также устройства модуляции и демодуляции для осуществления указанного способа. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 11 ил.
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к области передачи данных при помощи тока несущей (частоты).
Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к созданию способа передачи данных и к созданию модема за счет использования техники OFDM (ортогонального мультиплексирования деления частоты).
Уже известна, из заявки на европейский патент ЕР 1011235, система связи с использованием OFDM на токе несущей. В ней снижение шума производят за счет “ограничения” входного сигнала.
Известна также, из заявки на европейский патент ЕР 1014640, система связи с использованием техники OFDM. В ней использованы решения, касающиеся синхронизации между основным устройством и ведомыми устройствами. Добавлены специальные символы и использован более длительный защитный интервал.
Уже предложены, в заявке на патент РСТ WO 01/95518, способ и устройство для модуляции двойной полосы в системах сети тока несущей. В этом изобретении используют технику OFDM, что позволяет переходить от одной полосы к другой статическим образом.
Уже предложены также, в заявке на европейский патент ЕР 1018826, способ передачи данных на токе несущей с использованием техники OFDM. В соответствии с указанным изобретением, сигнал улучшают либо за счет наложения не прямоугольного окна на временной сигнал (при этом теряется одна несущая из двух), либо за счет использования фильтра с заданными коэффициентами.
Из патента США No.5610908 известна также система, позволяющая снизить “отношение максимальной мощности к средней”.
Из патента США No.6473453 известна также система высокочастотной связи, в которой используют передачу восьми мультиплексированных каналов. Эти восемь каналов содержат сигналы, распределенные (разложенные) по частотам. Такое решение является интересным с точки зрения подавления помех, связанных с использованием узких полос.
Из патента США No.5684450 известна сеть электропередачи с использованием техники OFDM на токе несущей, которая содержит фильтры и аналоговую часть для введения сигнала с частотой свыше 1 МГц. Предусмотрено оконечное устройство для расчета хорошего импеданса.
Из патента США No.6282405 известна гибридная сеть распределения электроэнергии и связи, в которой используют, в самом общем виде, технику OFDM.
Из патента США No.6456657 известна также система комплектов фильтров, в которой используют технику OFDM. Эта система позволяет разбивать систему с широкой полосой, мультиплексировать каждую из подполос на канал и восстанавливать сигнал при приеме.
Уже предложена также, в заявке на патент РСТ WO 02/51089, система с самосинхронизацией на периодических шумах с использованием OFDM на токе несущей. Задачей этого изобретения является посылка символов данных между двумя пиками шума.
Из патента США No.6373377 известна также система питания со связью (соединением) для передачи данных.
Из патента США No.6249213 известен также способ передачи информации по линии передачи переменного тока, с использованием множества частотных ортогональных поддиапазонов. Вид реализации изобретения, описанный в этом патенте США, представляет собой способ передачи информации по линии электропередачи переменного тока. Выбран канал частоты для передачи информации, который разбит на множество ортогональных поддиапазонов частоты. Производят тестирование каждого ортогонального поддиапазона частоты, чтобы определить значение характеристики передачи, которую, в свою очередь, используют для определения плотности бит передачи для ортогонального поддиапазона частоты. Информацию разбивают на множество подблоков данных. Каждый подблок данных соответствует одному из ортогональных каналов частоты, причем размер каждого подблока данных определяют на основании соответствующей плотности бит передачи. Данные каждого подблока модулируют для передачи через соответствующий ортогональный поддиапазон частоты. Каждый подблок данных передают главным образом одновременно через соответствующий ортогональный поддиапазон частоты.
Указанный патент США No.6249213 имеет отношение к передаче данных по линии электропередачи. Однако в нем нигде не упоминаются необходимые этапы динамической активизации и назначения подполос. Эти этапы являются очень важными в способе в соответствии с настоящим изобретением. Кроме того, не предлагается также производить вычисления на каждой из подполос полностью независимым образом от вычислений, производимых на других подполосах.
Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков известного уровня техники за счет разбиения полосы частот на N подполос (поддиапазонов), где N представляет собой целое число, большее двух или равное двум, осуществления вычислений на каждой из подполос, которые не зависят от вычислений, произведенных на других подполосах, и активизации подполос динамическим образом при помощи программного средства. Кроме того, синхронизация символов OFDM становится простой и дешевой за счет использования символов OFDM размера меньше 512 несущих.
Для этого, в соответствии с настоящим изобретением, в его самом общем применении, предлагается способ передачи данных на токе несущей, с использованием полосы частот, который предусматривает:
разбиение указанной полосы частот на N подполос, где N представляет собой целое число, большее двух или равное двум;
осуществление техники OFDM (ортогонального мультиплексирования деления частоты) на каждой из указанных подполос;
осуществление операций вычисления на каждой из указанных подполос;
отличающийся тем, что
вычисления, произведенные на каждой из подполос, не зависят от вычислений, произведенных на других подполосах;
причем указанные подполосы активизируются и назначаются динамическим образом.
В соответствии с особым вариантом осуществления настоящего изобретения, число N подполос равно 7.
В соответствии с особым вариантом осуществления настоящего изобретения, символы OFDM имеют размер, равный 256 несущим.
В соответствии с предпочтительным вариантом, подполосы активизируются и назначаются динамическим образом при помощи программного средства.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом, подполосы активизируются и назначаются динамическим образом при помощи аппаратного средства.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается также оборудование для модуляции и демодуляции, предназначенное для осуществления предложенного способа, которое содержит средства фильтрации, средства вычисления БПФ (быстрого преобразования Фурье), средства аналого-цифрового преобразования, средства усиления и средства активизации и назначения подполос.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На фиг.1 показаны общие принципы осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 показана аналоговая часть приема.
На фиг.3 приведено описание полос.
На фиг.4 показана работа комплекта фильтров анализа.
На фиг.5 показан поток синхронизации на одной подполосе.
На фиг.6 показан принцип корреляции символа кадра.
На фиг.7 показана работа блока синхронизации.
На фиг.8 показан принцип компенсации и коррекции ошибки частоты.
На фиг.9 показан поток демодуляции на одной подполосе.
На фиг.10 показана конфигурация модуляции на одной подполосе.
На фиг.11 показана аналоговая часть передачи.
Способ в соответствии с настоящим изобретением основан на использовании одной полосы частот для передачи данных на токе несущей. Не имеющий ограничительного характера пример состоит в использовании полосы от 1,6 МГц до 30 МГц. Принцип способа в соответствии с настоящим изобретением заключается в разбиении полосы на множество (две или больше) подполос, которые являются независимыми и активизируются динамическим образом, за счет использования, на каждой из них, техники OFDM.
Передачу на токе несущей производят с использованием передовой техники обработки сигнала, производя модуляцию разрешенных частот (например, от 1,6 до 30 МГц) на линиях электропередачи, за счет емкостной или индуктивной связи. Такая связь позволяет, с одной стороны, передавать сигналы высокой частоты (свыше 50 Гц) и низкого напряжения по линиям электропередачи, и, с другой стороны, рекуперировать в системе сигналы высокой частоты, присутствующие на электрических кабелях.
Для приема модулированный сигнал рекуперируют из линии электропередачи, фильтруют грубым образом (от 1,6 до 30 МГц) и затем усиливают. Затем его преобразуют в цифровую форму для проведения анализа в функции подполосы, которую он занимает. Все подполосы обрабатываются одинаковым образом, одна за другой. Сигнал синхронизируют, умножают для подавления ошибок частоты, а затем пропускают в частотную область. Там извлекают некоторую информацию о прохождении сигнала через канал, чтобы лучше корректировать деформации, связанные с каналом, после чего сигнал демодулируют. Наконец, блок управления рекуперирует информацию для ее передачи в верхние слои.
Для передачи, блок управления посылает данные одной из подполос за другой. Они модулируются и затем пропускаются во временную область. После этого информация перераспределяется на подполосу, которую предположительно занимают данные, при помощи фильтра синтеза. При этом цифровой сигнал преобразуется в аналоговый сигнал, фильтруется для удаления компонентов за пределами частот 1,6-30 МГц, а затем усиливается. Наконец, сигнал передается по электрическим проводам за счет (емкостной или индуктивной) связи.
Линии (каналы) передачи и приема являются достаточно различными и находятся только на уровне управления и связи (соединения), как это показано на фиг.1. Далее следует ее детальное описание.
Прием - Аналоговая часть
При приеме фильтруют сигналы высокой частоты и оставляют только сигналы полезной полосы (от 1,6 до 30 МГц в данном примере осуществления изобретения), с использованием включенного последовательно конденсатора для блокирования нижних частот и фильтра нижних частот. Этот фильтр может иметь следующие примерные характеристики:
- Фильтр эллиптический порядка 8
- Полоса пропускания 0-30 МГц
- Срез полосы (bande stop) при -50 дБ
- Пульсация в полосе пропускания <1 дБ
- Переходный процесс в полосе пропускания → Среза полосы <2 МГц
Затем производят усиление сигнала с переменным коэффициентом усиления, для регулирования динамики (динамических характеристик) сигнала.
Наконец, при помощи аналого-цифрового преобразователя преобразуют сигнал в цифровую форму.
Например, - 14 бит и 64 МГц
На фиг.2 показана аналоговая часть приема.
Фильтрация
Первым этапом цифровой обработки сигнала является фильтрация, которая представляет собой основное техническое новшество (нововведение) в соответствии с настоящим изобретением. В этом примере осуществления изобретения используют семь подполос. Однако следует иметь в виду, что этот пример не является ограничительным. Фильтрация позволяет рекуперировать в 7 различных трактах сигналы, которые содержатся в следующих 7 подполосах (ТВС, корректор временных искажений):
Подполоса 1: - 2 → 10 МГц
Подполоса 2: 2 → 12 МГц
Подполоса 3: 6 → 18 МГц
Подполоса 4: 10 → 22МГц
Подполоса 5: 14 → 26 МГц
Подполоса 6: 18 → 30 МГц
Подполоса 7: 22 → 34 МГц
В действительности, фильтрация тесно связана со структурой OFDM сигнала. Таким образом, допускают перекрытие различных подполос, предполагая, что несущие, присутствующие в соседних подполосах, не будут использоваться. Эта хитрость позволяет понизить сложность фильтров, сохраняя, однако, высокую спектральную эффективность. Вот частоты, полезные в каждой из подполос:
Подполоса 1: 2 → 6 МГц
Подполоса 2: 6 → 10 МГц
Подполоса 3: 10 → 14 МГц
Подполоса 4: 14 → 18МГц
Подполоса 5: 18 → 22 МГц
Подполоса 6: 22 → 26 МГц
Подполоса 7: 26 → 30 МГц
На фиг.3 показаны различные полосы.
Фильтрацию производят с использованием комплекта фильтров анализа. Эта структура позволяет изолировать сигналы каждой из 7 подполос и переместить их в основную полосу. Восемь выборочных значений глобальной полосы позволяют иметь одно выборочное значение для каждой подполосы. Они мультиплексируются во времени на выходе фильтра.
На фиг.4 показана работа комплекта фильтра анализа.
Синхронизация
Синхронизацию между передатчиком и приемником на каждой полосе производят независимым образом. Таким образом, выборочные значения обрабатывают и накапливают одно за другим, в функции подполосы, к которой они относятся. Синхронизация основана на обнаружении символа автокорреляции и защитного интервала. Она позволяет помещать окно преобразования Фурье для пропускания в частотную область.
На фиг.5 показан поток синхронизации на одной подполосе. Символ синхронизации посылают в начале кадра. Он содержит известную информацию, повторяющуюся во времени. Корреляция на половине символа позволяет обнаруживать этот символ среди других. Наконец, в конце символа используют защитный интервал, который представляет собой копию начала символа. Корреляция на длине защитного интервала позволяет точно находить окно преобразования Фурье.
На фиг.6 показан принцип корреляции символа кадра.
После того как символ целиком будет принят и обнаружен, блок синхронизации посылает его на преобразование Фурье, после комплексного перемножения. Оно позволяет произвести временную коррекцию сигнала на основании расчетов, которые сделаны ниже по ходу при приеме. В начале кадра коррекция является неактивной.
Начиная с этого места выборочные значения различных подполос будут раздельными. Подполосы обрабатывают одну за другой, для 256 выборочных значений из 256.
На фиг.7 показана работа блока синхронизации.
Преобразование Фурье
В соответствии с предпочтительным примером осуществления изобретения, сигнал OFDM в каждой из подполос образован из 256 несущих. Даже если используют только 128 несущих для соответствия структуре подполос, необходимо произвести преобразование Фурье в 256 точках. Для 256 временных выборочных значений, полученных в одной подполосе, преобразование Фурье позволяет вычислить 256 частотных выборочных значений, соответствующих 256 несущим.
Использованная структура является относительно классической, основанной на принципе бабочки. Таким образом, из 256 точек 128 являются не нулевыми, причем эта структура является весьма оптимизированной в том, что касается поверхности и скорости. Она позволяет производить расчет с задержкой около 256 циклов.
Частотная коррекция
Электрический ток, как и большинство средств связи, создает ошибки на частотах, которые в нем используют. Могут быть ошибки по амплитуде и по фазе, причем эти два параметра дрейфуют во времени. Решение в соответствии с настоящим изобретением, которое применяют для их коррекции, основано на использовании двух инструментов: полностью известного опорного символа, который содержит все полезные несущие и посылается (передается) с регулярными интервалами; и опорных (задающих) несущих в каждом символе данных. Их положение известно от передатчика и приемника.
При помощи опорного символа производят коррекцию фазы и амплитуды для совокупности несущих.
К следующим символам применяют найденные выше значения и анализируют опорные несущие. Для них производят расчет угла вращения и вычисляют угол вращения для всех других несущих при помощи линейной регрессии. Угол вращения несущей для среды называется Дельта, и этот угол применяют к следующему символу во временной области. На фиг.5 показан поток синхронизации на одной подполосе, а на фиг.8 показан принцип компенсации и коррекции ошибки частоты.
Демодуляция
После проведения коррекции несущих их можно демодулировать. Для этого передатчик и приемник согласовывают для использования специфических видов модуляции для каждой из 16 групп из 8 несущих на подполосу. Для каждой из этих групп можно использовать модуляцию, адаптированную к уровню шума:
0 - отсутствие модуляции
1 - фазовая модуляция (BPSK, двухпозиционная фазовая манипуляция)
2 - четвертичная фазовая модуляция (QPSK, фазовая манипуляция с четвертичными (фазовыми) сигналами)
4 - квадратурная амплитудная модуляция 16 (QAM 16)
6 - квадратурная амплитудная модуляция 64 (QAM 64)
8 - квадратурная амплитудная модуляция 256 (QAM 256)
Опорные символы, также как и опорные несущие, не демодулируют. Кроме того, в каждой из подполос некоторые несущие запрещены, так как они используются в других приоритетных задачах. Их также не демодулируют.
Демодулятор может вычислять отношение сигнал - шум для каждой из несущих. Это осуществляют за счет демодуляции несущей с использованием значений канала, повторной модуляции, чтобы найти ожидаемые теоретические значения, и определяют разность.
На фиг.9 показан поток демодуляции на одной подполосе.
Все демодулированные значения запоминают (накапливают) и информацию относительно демодуляции передают в контроллер. Вся информация относительно отношения сигнал - шум передается в контроллер.
Управление
Управление осуществлением передачи на токе несущей производят с использованием микроконтроллера, который непосредственно управляет модулятором при передаче и демодулятором при приеме. Микроконтроллер производит обработку различных подполос одна за другой. В функции своей собственной программной конфигурации (программы, загруженной в него динамически) он активизирует или нет подполосы и назначает им различные потоки данных.
Он не производит управление данными как таковыми, но получает информацию о наличии данных и производит соответствующее управление модулятором и демодулятором. Аналогичным образом, он информирует высшие слои (корректор ошибки кодирования, слой MAC (протокол управления доступом к передающей среде) и т.п.) о том, какие данные переданы или приняты.
Кроме того, контроллер является единственным органом, определяющим виды модуляции, применяемые к каждой несущей, и вычисленное отношение сигнал - шум. Именно он принимает решение об изменении модуляции.
Излучение - Модуляция
Модулятор во многом похож на демолулятор: они имеют аналогичные функциональные свойства. Речь идет о модуляции накопленных данных по команде контроллера. Данные могут быть модулированы по 0, 1, 2, 4, 6 или 8, в функции качества. На каждой из несущих можно запретить модуляцию, чтобы сохранить запрещенные частоты (называемые зарубками, вырезами). На двух опорных несущих в одном символе, можно принудительно произвести модуляцию с использованием известной величины.
На фиг.10 показана конфигурация модуляции на одной подполосе.
Для того чтобы ограничить передачу информации, передаются только 128 активных несущих в каждой из подполос. Только ниже по ходу (в частности, в обратном преобразовании Фурье) добавляют 128 других нулевых несущих и образуют 256 точек на одну подполосу.
Перемножение
Модулятор должен иметь только 6 бит динамики (динамического диапазона) для осуществления модуляции. Частотный элемент каждой несущей умножают на комплексное число и поддерживают динамику 14 бит. Комплексное число, которое используют для умножения, можно разложить на:
- амплитуду, чтобы лучше адаптироваться к электромагнитным ограничениям,
- фазу, чтобы исключить насыщение при вычислении ниже по ходу.
Обратное преобразование Фурье
Этот этап позволяет вырабатывать временной сигнал 256 точек, исходя из полезных 128 частотных элементов.
Фильтр синтеза
Фильтр синтеза позволяет транслировать различные данные, соответствующие различным подполосам, в связанные с ними полосы частот. Использованная структура является парной с фильтром анализа, использованным при приеме: данные поступают в виде блока из 256 временных выборочных значений, одна подполоса после другой. После 256 символов добавляют защитный интервал из 32 временных выборочных значений. Данные каждой из подполос получают на выходе с перемежением (чередованием).
Аналоговая часть
Передачу начинают с преобразования цифрового сигнала в аналоговый.
На выходе преобразователя сигнал фильтруют, чтобы исключить влияние частоты дискретизации и избежать генерации помех вне полосы, выделенной для передачи на токе несущей. Применяемый фильтр имеет следующие характеристики:
- Фильтр эллиптический порядка 8
- Полоса пропускания 0-30 МГц
- Срез полосы при -50 дБ
- Пульсация в полосе пропускания <1 дБ
- Переходный процесс в полосе пропускания → Срез полосы <2 МГц
Затем производят усиление сигнала до осуществления связи (соединения). Усиление производят с постоянным коэффициентом усиления (равным 2).
На фиг.11 показана аналоговая часть передачи.
Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены различные изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки формулы изобретения.
1. Способ передачи данных на токе несущей, используя полосу частот, содержащий следующие стадии:
разбивают полосу частот на N поддиапазонов, где N - целое число, больше чем или равное двум;
осуществляют ортогональное частотное уплотнение (OFDM) на каждом из указанных поддиапазонов, причем указанные поддиапазоны активизируют и распределяют в динамическом режиме; и
выполняют операцию цифровой обработки на каждом из поддиапазонов,
отличающийся тем, что операции цифровой обработки на каждом из поддиапазонов выполняют независимо от операций цифровой обработки, выполнямой на других поддиапазонах, при этом используют набор фильтров для разбивки указанной полосы частот на N поддиапазонов и осуществляют стадию синхронизации, выполняемую независимо, начиная с каждого из этих поддиапазонов.
2. Способ передачи данных на токе несущей по п.1, отличающийся тем, что фильтры указанного набора имеют фильтрованные поддиапазоны с перекрытием.
3. Способ передачи данных на токе несущей по п.2, отличающийся тем, что не используют частоты, которые имеются в указанных перекрытиях.
4. Способ передачи данных на токе несущей по п.1, отличающийся тем, что число N поддиапазонов равно 7.
5. Способ передачи данных на токе несущей по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что символы OFDM имеют размер, равный 256 несущим.
6. Способ передачи данных на токе несущей по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что поддиапазоны активизируются и назначаются динамическим образом при помощи программного средства.
7. Способ передачи данных на токе несущей по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что поддиапазоны активизируются и назначаются динамическим образом при помощи аппаратного средства.
8. Устройство для реализации способа по одному из пп.1-7, содержащее средства фильтра, вычисленое средство быстрого преобразования Фурье (FFT), аналого-цифровой преобразователь (ADC), усилитель, средства для формирования и распределения поддиапазонов и средство синхронизации.
