МОДЕМ, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ПОДВОДНОЙ СВЯЗИ ПО ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
MODEM SPECIFICALLY FOR UNDERWATER COMMUNICATION OVER ELECTRIC POWER TRANSMISSION LINE

Изобретение относится к модему, в частности, для подводной связи по линии электропередачи, содержащему электронные компоненты на печатной плате и металлический корпус.
Подводная связь по линии электропередачи представляет собой специальную форму подводной коммуникации. Она предпочтительно используется в исследовании и эксплуатации месторождений газа и нефти, расположенных в морском дне. Подводная связь используется, например, для того, чтобы передавать различные данные между станциями управления на поверхности и подводными устьями скважины. Месторождения газа и нефти, которые исследуются или эксплуатируются с использованием электронной коммуникации с устьями скважин или другим электронным оборудованием, иногда называют "электронными месторождениями" (e-месторождениями).
В предшествующем уровне техники описаны различные способы для подводной связи. С одной стороны, имеются проводные электрические или оптические соединения, с другой стороны, имеются беспроводные соединения. Проводные соединения могут быть подразделены на первую группу, обеспечивающую линии связи для электронных или оптических соединений, отдельных от линий электропередачи, и вторую группу, использующую линии электропередачи для электронных коммуникаций. В последнем случае предпочтительным образом не требуются никакие отдельные линии связи.
Например, в документе US 2005/0243983 А1 описан модем для приема и передачи данных от/к проводнику. Он включает в себя выходной возбудитель для передачи данных к проводнику, приемник для приема данных из проводника и средство согласования импеданса для согласования импеданса входа приемника с импедансом проводника. Усиление выходного возбудителя, усиление приемника и импеданс входа приемника в этом модеме настраиваются.
Модемы в типовом случае используют печатную плату (РСВ), на которой смонтированы электронные компоненты, такие как интегральные схемы. Эти компоненты обычно являются чувствительными к электромагнитному излучению, в частности к излучению в радиочастотном (РЧ) диапазоне, что приводит в результате к электронным помехам и шумам. Как следствие, на битовую скорость и рабочий диапазон модемного соединения оказывает влияние степень излучения, действию которого подвергаются его электронные компоненты. Негативное влияние излучения даже еще увеличивается, так как дорожки, соединяющие электронные компоненты, действуют как приемные антенны. Поэтому электронные компоненты и печатная плата должны быть экранированы для защиты от излучения.
Известные модемы для подводной связи по линии электропередачи используют металлический блок, который полностью окружает их печатную плату для экранирования электронных компонентов и дорожек между ними от внешнего радиочастотного излучения. Однако возможная битовая скорость и возможный рабочий диапазон этих модемов ограничены ввиду ограниченных экранирующих свойств металлического корпуса блока.
Целью изобретения является определить модем, имеющий улучшенные экранирующие свойства, тем самым значительно снижая электронные помехи и/или шум.
Эта проблема решена модемом, включающим в себя признаки, указанные в пункте 1 формулы изобретения.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В изобретении предлагается, что корпус образует, по меньшей мере, две камеры, разделенные, по меньшей мере, одной стенкой, причем каждая из упомянутых камер окружает, по меньшей мере, один из упомянутых электронных компонентов. Посредством этого решения стенка, отделяющая камеры, также разделяет электронные компоненты, содержащиеся в различных камерах, тем самым обеспечивая улучшенные экранирующие свойства. Некоторые электронные компоненты сами излучают РЧ излучение, оказывающее влияние на другие, что приводит в результате к электронным помехам и шумам, как отмечено выше. Этот эффект является значительным, в частности, для модемов, использующих мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM). Предложенный корпус не только экранирует электронные компоненты от внешнего РЧ излучения, но также и друг от друга, то есть от внутреннего РЧ излучения. Вследствие этого битовая скорость соединения и рабочий диапазон модема согласно изобретению значительно увеличиваются по сравнению с предшествующим уровнем техники.
В предпочтительном варианте осуществления упомянутые камеры размещены на первой стороне печатной платы. Это обеспечивает простую конструкцию корпуса и, следовательно, модема.
В усовершенствованном варианте осуществления, по меньшей мере, одна из упомянутых камер продолжается на второй стороне печатной платы. Это означает, что разделительная стенка также продолжается на второй стороне и что печатная плата подразделяет упомянутую камеру на две части. При этом камера полностью окружает, по меньшей мере, один соответствующий электронный компонент по типу клетки Фарадея. Это улучшает экранирующие свойства по отношению к РЧ излучению. Кроме того, корпус и модем могут быть сконструированы компактно, так как печатная плата поддерживается с двух сторон.
Оптимальное экранирование достигается в варианте осуществления, где, по меньшей мере, одна разделительная стенка находится в плотном контакте с печатной платой. В зависимости от действительной частоты излученного излучения, качество экранирования снижается с размером отверстий или зазоров в корпусе. Сильное экранирование достигается при плотном контакте разделительной стенки или даже всего корпуса с печатной платой.
Для оптимального экранирования печатная плата снабжена на ее поверхности, по меньшей мере, одной металлической контактной зоной для, по меньшей мере, упомянутой разделительной стенки. Плата может иметь проводящие дорожки в своих внутренних слоях, параллельные упомянутым зонам и контактирующие с ними, чтобы еще больше улучшить экранирование. Таким способом, даже сама печатная плата вносит вклад в улучшение экранирующих свойств.
В предпочтительном варианте осуществления корпус содержит переднюю крышку, цельный каркас для первой стороны печатной платы, цельный каркас для второй стороны печатной платы и заднюю крышку. Этот тип корпуса обладает стабильностью, прост в изготовлении и прост в обращении при его монтаже на печатной плате. Кроме того, он обеспечивает высококачественную клетку Фарадея.
Предпочтительным образом одна плоская сторона каждого из каркасов находится полностью в плотном контакте с упомянутой печатной платой. Это обеспечивает устойчивую и компактную конструкцию модема, так как корпус действует в качестве упрочнения печатной платы.
В специальном варианте осуществления упомянутый корпус содержит металлическое тело, окружающее компонент усилителя мощности (УМ). Усилители мощности излучают большое количество бесполезного тепла. Посредством упомянутого металлического тела, окружающего усилитель мощности, этот усилитель мощности может охлаждаться и дополнительно экранироваться. Металлическое тело направляет бесполезное тепло к внешним поверхностям корпуса. В дополнение к металлическому телу, которое не имеет электрического контакта с усилителем мощности, усилитель мощности может непосредственно соединяться с внешним корпусом посредством радиатора или тепловой трубки, которая не касается металлического тела. Тепловая трубка гальванически изолирована от внешнего корпуса.
Весьма предпочтительный вариант осуществления содержит, по меньшей мере, три камеры, причем первая камера окружает аналоговые передающие и приемные компоненты, вторая камера окружает аналого-цифровые компоненты и цифроаналоговые компоненты, и третья камера окружает высокочастотный цифровой процессор сигналов, программируемую пользователем вентильную матрицу и DC/DC-источник питания. В этом варианте осуществления достигаются минимальные электронные помехи за счет строгого разделения наиболее критических компонентов.
Предпочтительным образом корпус состоит из алюминия. Этот материал является легким и проводящим. Таким образом, он обеспечивает высококачественную клетку Фарадея при малом общем весе модема. Для сильных экранирующих свойств и высокой стабильности корпуса корпус предпочтительно имеет наименьшую толщину 2 мм.
Далее изобретение описано более детально со ссылками на несколько чертежей.
Фиг.1 показывает схематичный вид спереди типового модема с базовым корпусом.
Фиг.2 показывает блок-схему модема подводной линии электропередачи.
Фиг.3 показывает схематичный вид спереди модема подводной линии электропередачи.
Фиг.4 показывает схематичный вид сзади модема подводной линии электропередачи.
На всех чертежах соответствующие части обозначены идентичными ссылочными позициями.
Фиг.1 поясняет принцип изобретения. На ней схематично показан модем 1, содержащий печатную плату 2, оснащенную высокочастотным цифровым процессором (ЦП) 3 сигналов и усилителем 4 мощности. Оба электронных компонента чувствительны к электромагнитному РЧ излучению, но в значительной степени сами испускают электромагнитное излучение. Металлический корпус 5, поверхность которого открыта на чертеже, полностью окружает печатную плату 2. Корпус 5 состоит из двух зеркальных оболочек (не видны на чертеже). Обе оболочки содержат соответствующую планку, которые, при сборке обеих оболочек, образуют стенку 6. Стенка 6 является непрерывной, за исключением сквозного отверстия (не видно) для печатной платы 2. Таким образом, корпус 5, при его сборке вокруг печатной платы 2, образует первую камеру 7 и вторую камеру 8, которые разделены стенкой 6. Каждая камера 7, 8 окружает как переднюю сторону, так и заднюю сторону печатной платы 2. Печатная плата 2 зафиксирована между оболочками посредством столбиков (не показаны), которые являются частью оболочек корпуса 5, и планками.
Корпус 5, содержащий стенку 6, действует как клетка Фарадея, электромагнитно экранируя цифровой процессор 3 сигналов в первой камере 7 от излучения, испускаемого усилителем 4 мощности во второй камере 8, и наоборот. Кроме того, корпус 5 экранирует как цифровой процессор 3 сигналов, так и усилитель 4 мощности от внешнего электромагнитного излучения. Следовательно, риск электронных помех и шума в этих электронных компонентах значительно снижается.
На фиг.2 показана блок-схема модема подводной линии связи. Модем 1 включает в себя программируемую пользователем вентильную матрицу (FPGA) 6, цифровой процессор (ЦП) 7 сигналов, линию 10 аналого-цифровой обработки и линию 11 цифроаналоговой обработки. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12 и малошумящий усилитель (МШУ) 13 являются частью линии 10 аналого-цифровой обработки. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14 и усилитель мощности 4 являются частью линии 11 цифроаналоговой обработки. Обе линии 10 и 11 обработки соединены с диплексором 16 через дифференциальный интерфейс (не показан). Посредством диплексора 16 модем 1 соединяется с подводной линией электропередачи (не показана). Программируемая пользователем вентильная матрица 9 обеспечивает два независимых двунаправленных внешних последовательных интерфейса, одно RS-485-соединение 17, соединяемое с так называемой шиной PROFIBUS, для двоичных данных полезной нагрузки, и одно RS-232-соединение 18 для диагностических данных. Эти компоненты смонтированы на обеих сторонах одной шестислойной печатной схемы (на этом чертеже не показана).
С одной стороны, программируемая пользователем вентильная матрица 9 создает OFDM-модулированный сигнал RF из двоичных данных, полученных из RS-485-соединения 17 и, если требуется, из диагностических данных, полученных из RS-232-соединения 18. Эти данные модулируют электрический сигнал линии электропередачи. С другой стороны, программируемая пользователем вентильная матрица 9 демодулирует OFDM-модулированный сигнал, полученный из линии электропередачи через диплексор 16, в двоичные данные полезной нагрузки и, в случае необходимости, в диагностические данные, которые выводятся в RS-485-соединение 17 и RS-232-соединение 18, соответственно. Поскольку затраты на вычисление высоки для мультиплексирования с ортогональным частотным разделением, программируемая пользователем вентильная матрица 9 использует цифровой процессор 3 сигналов как для модуляции, так и для демодуляции. Диплексор 16 способен соединять радиочастотный модем 1 с обоими концами кабеля линии электропередачи таким образом, что два модема 1 могут осуществлять связь друг с другом, в то время как кабель линии электропередачи также используется для распределения питающей мощности.
При OFDM, которое само по себе известно из телевизионного вещания, передающий модем передает на множестве различных ортогональных частот, называемых полосами несущих или каналами. Две полосы несущих ортогональны, если они независимы друг от друга в отношении их относительного фазового соотношения. Двоичные данные модулируют электрический сигнал в форме так называемых OFDM-символов.
На фиг.3 показан схематичный вид спереди модема 1 по фиг.2. Электрические компоненты смонтированы на обеих сторонах шестислойной печатной платы 2, которая имеет размер, например, 100 мм × 160 мм и превосходит поперечное сечение корпуса 5. Только два D-SUB-порта 19 и 20 размещены вне корпуса 5. Они внешним образом обеспечивают RS-485-соединение и RS-232-соединение (на этом чертеже не показаны).
Корпус 5 состоит из алюминия водоструйной резки и содержит пять частей: цельный передний каркас 5.1, переднюю крышку (не показана), цельный задний каркас 5.2 (на этом чертеже скрыт за печатной платой 2 - см. фиг.4), заднюю крышку (не показана) и цельное металлическое тело 5.3. Все упомянутые части снабжены отверстиями 22 для фиксации их на печатной плате 2 посредством винтов. Передний каркас 5.1 имеет промежуточные стенки 6, которые подразделяют внутренность переднего каркаса на три отдельные камеры 7, 8 и 21. Первая камера 7 окружает аналоговые передающие компоненты, такие как усилитель 4 мощности и приемные компоненты, такие как малошумящий усилитель 13. Вторая камера 8 окружает аналого-цифровой преобразователь 12 и цифроаналоговый преобразователь 14, а также малошумящий усилитель 13. Третья камера 21 окружает цифровой процессор 3 сигналов, программируемую пользователем вентильную матрицу 9 и DC/DC-источник 23 питания. Металлический корпус 5.3 окружает только усилитель 4 мощности внутри первой камеры 7.
Передний каркас 5.1, задний каркас 5.2 и крышки имеют наименьшую толщину 2 мм. Передний каркас 5.1 имеет, например, высоту 20 мм. Задний каркас 5.2 имеет, например, высоту 5 мм. Передний каркас 5.1 смонтирован посредством винтов, которые надежно затянуты через отверстия 22 задней крышки, заднего каркаса 5.2, печатной платы 2 и в передний каркас 5.1. Таким образом, оба каркаса 5.1 и 5.2 полностью находятся в плотном контакте с печатной платой 2. Передняя крышка смонтирована непосредственно на переднем каркасе 5.1 посредством винтов через отверстия 22 передней крышки в передний каркас 5.1. Теплопроводная прокладка должна быть смонтирована точно в том месте, где металлическое тело 5.3 достигает передней крышки. Металлическое тело 5.3 смонтировано вокруг усилителя мощности винтами через печатную плату 2 и в металлическое тело 5.3. Печатная схема 2 снабжена металлическими контактными зонами в областях, где разделительные стенки касаются ее. Алюминиевые детали корпуса 5 могут быть простым образом изготовлены при производстве печатной платы 2.
На задней стороне печатной платы 2, как показано на фиг.4, задний каркас 5.2 является зеркальным компонентом переднего каркаса 5.1. Таким образом, три камеры 7, 8, 21 продолжаются к задней стороне печатной платы 2. Если задняя и передняя крышки смонтированы, корпус 5, содержащий камеры 7, 8, 21 и металлическое тело 5.3, действует как эффективная клетка Фарадея, как описано выше.