Система повышения температурной стабильности кварцевого генератора, применяемого в системах связи в сетях LPWAN
SYSTEM FOR INCREASING TEMPERATURE STABILITY OF A QUARTZ GENERATOR USED IN COMMUNICATION SYSTEMS IN LPWAN NETWORKS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится в целом к системам связи и, более конкретно, к системам повышения температурной стабильности кварцевого генератора, применяемого в системах связи в сетях LPWAN.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Сеть LPWAN (англ. Low-power Wide-area Network — «энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия») — беспроводная технология передачи небольших по объёму данных на дальние расстояния, разработанная для распределённых сетей телеметрии, межмашинного взаимодействия и интернета вещей. LPWAN является одной из беспроводных технологий, обеспечивающих среду сбора данных с различного оборудования: датчиков, счётчиков и сенсоров.
Технология LPWAN ориентирована на приложения, требующие гарантированной передачи небольшого объёма данных, возможности длительной работы сетевых устройств от автономных источников питания, большого территориального охвата беспроводной сетью. Основными областями применения технологии LPWAN являются беспроводные сенсорные сети, автоматизация сбора показаний приборов учета, системы промышленного мониторинга и управления.
Примеры использования LPWAN
Сейчас LPWAN-технологии широко используются в отслеживании активов, управлении зданиями, реализации концепции «умный город», умном учете ресурсов и т.д. Аналитики Berg Insight отмечают, что LPWAN будут активно использоваться в сельском хозяйстве, особенно в местностях, не охваченных мобильной связью.
Например, сеть IoT с использованием наземных каналов – базовых станций LPWAN от Actility и спутникового канала (для передачи информации от базовой станции в интернет) в феврале 2017 года запустил глобальный провайдер спутниковой связи компания Inmarsat.
Реализация такого проекта позволит более эффективно выращивать масленичную пальму в Малайзии. Плантации, как правило, находятся вдали от цивилизации. Датчики соберут информацию о влажности почвы на угодьях, у корней растений, проанализируют количество пресной воды в резервуарах, позволят экономно расходовать ресурсы и увеличить урожайность этой агрокультуры.
Фермерам на удаленных фермах в Австралии отныне не придется тратить много времени на определение местонахождения, параметров здоровья и других важных показателей крупного рогатого скота. Как правило, добраться до некоторых ранчо можно только авиацией, поэтому услуги ветеринара не всегда доступны. Использование LPWAN и спутниковой связи решит эту проблему.
Пригодится такое решение и на нефтяных платформах в море. С помощью датчиков и предикативной аналитики можно будет оперативно определить потенциальные точки сбоя и вовремя провести профилактику. Это убережет компании от простоев, ежедневные убытки от которых исчисляются миллионами долларов.
Из уровня техники известна технология LPWAN («ОБЗОР И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ LPWAN СЕТЕЙ», http://www.sut.ru/doci/nauka/review/20164/33-48.pdf) в которой используют недорогие кварцевые резонаторы.
Недостатком данного решения является отсутствие возможности компенсации нестабильности частоты внешним управлением, которое учитывает значительные изменения климатических условий.
Известны также решения, обеспечивающие передачу данных в сетях LPWAN. Такие решения, например, раскрыты в следующих документах: CN107509221A, CN106452486A, US20170230074A1.
Указанные выше решения, известные из уровня техники, также не имеют возможности компенсации нестабильности частоты внешним управлением, которое учитывает значительные изменения климатических условий.
Как правило, для повышения температурной стабильности генератора применяются следующие решения:
1. Включение в схему генератора (обычно последовательно с кварцевым резонатором) реактивного элемента с высоким температурным коэффициентом, величина которого не зависит от температуры. Решение имеет недостаток, который заключается в том, что невозможно обеспечить высокую стабильность частоты в широком интервале температур (из-за отсутствия компенсации нелинейной составляющей температурно-частотной характеристики– ТЧХ кварцевого генератора);
2. Для компенсации нелинейных ТЧХ кварцевых генераторов возможно использование биметаллических конденсаторов с нелинейным изменением емкости в интервале температур, которые включаются в схему генератора обычно последовательно или параллельно с кварцевым резонатором. Однако, малые механическая устойчивость и точность настройки такого конденсатора резко ограничивают его использование.
3. Включение цепей термокомпенсации: термокомпенсация может быть аналоговой (с применением терморезисторов и датчиков температуры) или цифровой (с применением микроконтроллера);
4. Термостатирование, т.е. помещение температурно-зависимых элементов генератора в термостат, в котором поддерживается постоянная температура. Термостатирование может быть обычным и двойным. Двойное термостатирование – это когда термостатированный кварцевый генератор помещается в термостат, в результате чего итоговая температурная стабильность достигает ещё больших значений.
Предлагаемое изобретение относится к третьему пункту из вышеперечисленных схемных решений и имеет усовершенствованный механизм для сети LPWAN. Оно превосходит другие вышеперечисленные способы повышения температурной стабильности, так, например, в резонаторах термостатированных генераторов рабочим участком для резонатора является небольшая температурная зона вблизи экстремума ТЧХ, для резонаторов термокомпенсированных генераторов рабочим участком является весь интервал допустимых температур, что позволяет обеспечить высокую стабильность частоты в значительно более широком интервале температур. Применением цифровой системы температурной компенсации, которая позволяет производить настройку кварцевых генераторов с цифровой температурной компенсацией (далее – ЦТККГ), в автоматизированном режиме достигается:
-7
-8
a) более высокая стабильность частоты по сравнению с кварцевыми генераторами с аналоговой компенсацией и сравнимая со стабильностью термостатированных кварцевых генераторов (далее - ТСКГ) (около 5⋅10 …3⋅10);
b) более низкое энергопотребление, чем у ТСКГ (≤ 0.06 Вт);
c) малое время готовности к работе после включения (≈1 секунда).
Назначение ЦТККГ: повышение точности и стабильности работы систем телекоммуникаций и связи. Кварцевые генераторы с цифровой термокомпенсацией применяются в приёмопередающих устройствах, в системах обработки информации, единого времени и телекоммуникационных системах как источник стабильной частоты.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является создание системы повышения температурной стабильности кварцевого генератора, применяемого в системах связи в сетях LPWAN, позволяющей обеспечить высокую стабильность частоты колебаний в кварцевых генераторах при температуре окружающей среды от
-50 до +60°С при передаче данных в сети LPWAN.
Технический результат заключается в оптимизации параметров передачи данных в сети LPWAN в зависимости от климатических условий, достигаемое использованием цифровой термокомпенсации кварцевых генераторов посредством применения микроконтроллера.
С заявленной системой повышения температурной стабильности кварцевого генератора, применяемого в системах связи в сетях LPWAN, абонентская станция:
- считывает информацию с датчика температуры;
- обрабатывает полученную информацию о температурных данных;
- автономно формирует сигналы управления посредством набора команд или интерфейса управления для настройки кварцевого генератора микроконтроллером на заданную частоту при уходе частоты в результате изменения температуры, тем самым получая при выходе скомпенсированную частоту,
В предпочтительном варианте реализации, система повышения температурной стабильности кварцевого генератора, применяемого в системах связи в сетях LPWAN содержит:
- кварцевый генератор с колебательной системой, в состав которой входит кварцевый резонатор с параллельно включённым конденсатором;
- микроконтроллер для осуществления температурной компенсации; он измеряет температуру и вычисляет поправки, которые представляют собой увеличение или уменьшение частоты кварцевого генератора, чтобы с учетом температурного смещения была достигнута целевая частота;
В частном варианте на абонентской станции нестабильность частоты кварцевого генератора компенсируется внешним управлением, которое учитывает значительные изменения климатических условий и высылает на абонентскую станцию (АС) сигнал управления для настройки кварцевых генераторов на заданную частоту при уходе частоты в результате изменения температуры.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, очевидно каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.
Кроме того, из приведенного изложения ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.
Настоящее изобретение направлено на создание системы повышения температурной стабильности кварцевого генератора, применяемого в системах связи в сетях LPWAN.
С ростом количества используемых частотных диапазонов и увеличением их загруженности в сетях связи с низкой скоростью передачи данных, обеспечивающих при малой мощности сигналов большую дальность связи, например, в маломощных сетях с широкой территорией охвата LPWAN (Low-PowerWide-AreaNetwork) с использованием узкополосных сигналов существенно повысились требования к стабильности опорной частоты для работы систем связи.
Кварцевый генератор (далее - КГ) – автогенератор электромагнитных колебаний с колебательной системой, в состав которой входит кварцевый резонатор. Предназначен для получения колебаний фиксированной частоты с высокой температурной и временной стабильностью, низким уровнем фазовых шумов и высокой добротностью. Так как кварцевый резонатор является законченным электронным компонентом, его частоту можно изменять внешними элементами и схемой включения в очень узком диапазоне выбором резонансной частоты (параллельный или последовательный) или понизить параллельно включённым конденсатором. Метод изменения частоты за счет изменения параллельной емкости, подключенной к кварцевой пластине, лег в основы термокомпенсированных кварцевых генераторов. Основной составляющей нестабильности частоты КГ является температурная нестабильность, определяемая воздействием температуры на генератор. Одним из способов повышения температурной стабильности является термокомпенсация. Для осуществления термокомпенсации в генератор включается устройство, обеспечивающее изменение частоты при изменении температуры этого устройства, противоположное изменению частоты от воздействий температуры на остальную часть генератора.
В первом случае для учёта температурных изменений частоты кварцевого генератора на абонентской станции измеряется температура и вычисляется поправка: при обмене данными в сети LPWAN абонентская станция считывает информацию с датчика температуры, затем обрабатывает полученную информацию о температурных данных и автономно формирует сигналы управления посредством набора команд или интерфейса управления для настройки термокомпенсированных кварцевых генераторов на заданную частоту при уходе частоты в результате изменения температуры. Таким образом меняется частота генерации кварцевой пластины и на выходе получается скомпенсированная частота.
Во втором случае для учёта температурных изменений частоты кварцевого резонатора на абонентской станции нестабильность частоты компенсируется внешним управлением, которое учитывает значительные изменения климатических условий (например, наступление холодного периода года) и высылает на абонентскую станцию сигнал управления для настройки с помощью микроконтроллера кварцевых генераторов на заданную частоту при уходе частоты в результате изменения температуры.
В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществление заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.