СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ИНФОРМАЦИИ ПО ЭЛЕКТРОСЕТЯМ
METHOD AND APPARATUS FOR TRANSMITTING AND RECEIVING INFORMATION OVER POWER SUPPLY NETWORKS

Настоящее изобретение относится к системам передачи информации, использующим в качестве линий связи провода электросети, в частности, может быть использовано в системах связи и энергоснабжения посредством электросетей, при передаче электроэнергии на большие расстояния (по распределительным и высоковольтным линиям электропередачи) и по бытовым электросетям, в системах контроля и учета, при передаче информационных сообщений.
Современная экономика предъявляет повышенные требования к минимизации потерь энергии при ее передаче потребителями, минимизации потребления энергии за счет предотвращения хищений энергии, многотарифного регулирования и оперативного контроля за своевременностью и правильностью оплаты за потребляемую энергию. Современные технические средства оптимизации управления распределением энергии в реальном времени ставят на первый план требования оперативного непрерывного учета потребления энергии. Несмотря на высокоразвитую современную инфраструктуру связи, непрерывная передача информации о текущем состоянии потребления энергии сотнями миллионов потребителей традиционными методами (по линиям связи, при помощи GSM, WiFi и т.п.) экономически не оправдана. Поэтому, ряд компаний во многих странах предпринимали попытки создания высокоэффективных систем связи по проводам электросети (PLC-Powerline Communications).
Учитывая, что электрические сети проектировались и строились для электроснабжения и не предназначались для использования в качестве канала связи, тем более в качестве высокоскоростного канала связи для предоставления телекоммуникационных услуг, их использование в качестве линий связи наталкивается на множество теоретических и технических проблем. Это, прежде всего, высокий уровень и нестационарность шумов, широкий диапазон изменения величины затухания сигнала и эквивалентной нагрузки в сети, наличие эффектов многолучевого распространения и возникновение эхо-сигналов на частотах, необходимых для высокоскоростной передачи данных. Для преодоления этих проблем некоторые компании основное внимание уделяют разработке PLC-модемов на основе традиционной Spread Spectrum (SS) технологии (FH и DS) и технологии OFDM (Ortogonal Frequence Division Multiplexing), обеспечивающих высокий уровень помехоустойчивости цифровой передачи данных (NEC Home Electronics Ltd, pat. US 4864589 от 05.09.89; Intellon Corporation, pat. US 5090024 от 18.02.92, pat. US 5263046 от 16.11.93, pat. US 5278862 от 11.01.94, Siemens, Ascom и др.). Другие компании предпочитают создать в электросетях путем их "кондиционирования" (в смысле подавления шумов) и стабилизации эквивалентной нагрузки/сопротивления сети условия, позволяющие использовать методы модуляции, используемые в модемах для выделенных линий связи - FSK, GFSK, QPSK, OQPSK, QAM, Pi/4 QPSK и др. (Norweb PLC, pat. US 5684450 от 04.11.97, US 5929750 от 27.07.99, US 5933071 от 03.08.99, US 5949327 от 07.09.99, ABB Power T&D Company, pat. US 5694108 от 02.12.97, AT&T Corp., US 5952914 от 14.09.99).
Известные пути развития технических средств PLC имеют следующие ограничения и недостатки. Широкополосность и мощность используемых для PLC сигналов лимитируется законодательными ограничениями на диапазон используемых частот и величину допустимых электромагнитных помех при работе аппаратуры PLC, что приводит к необходимости разработки высокоэффективных систем связи в смысле энергетических затрат на один бит передаваемой информации, что существенно повышает их техническую сложность и стоимость. Попытки двигаться в направлении улучшения технических характеристик электросетей и приближения этих характеристик к условиям в выделенных каналах связи, девальвируют саму идею использования электросетей как уже "существующего" канала связи, что существенно повышает стоимость систем связи.
Известно устройство телесигнализации по электрическим сетям (авт. свид. СССР № 871343, Н03В 3/54, опубл. 07.10.81), содержащее передатчик, приемник, подключенный к обмотке первого однообмоточного трансформатора, а также второй однообмоточный трансформатор, либо первый и второй индукторы.
Недостатком этого устройства является то, что потребители электроэнергии, подключенные к этим проводам, шунтируют канал передачи информации, что приводит к увеличению энергетических затрат и создает высокочастотные помехи. По этой причине такие устройства не нашли широкого применения в распределительных и низковольтных (220/380 В) воздушных и кабельных линиях электропередачи, где подключено большое количество потребителей электроэнергии, одновременно являющихся источниками высокочастотных помех. Недостатком известного способа является низкая помехозащищенность.
Известен также способ передачи и приема сигналов (Научно-технический бюллетень по электрификации сельского хозяйства, выпуск 2/54, М., ВИЭСХ, 1985, "Канал связи на тональных частотах по линии 10 кВ". К.И. Гутин и С.А. Цагарейшвили), где трехфазная электрическая сеть используется для передачи сигналов с контролируемых пунктов на диспетчерский пункт. Сигналами являются радиоимпульсы тональной частоты. В данном канале связи применен передатчик пассивно-активного типа. В указанном способе при передаче символа "1" в пункте передачи преобразуют напряжение промышленной частоты F в ток обратной последовательности на частоте f1 и ток прямой последовательности на частоте f2, передают эти токи по трехфазной электрической сети в пункт приема.
В пункте приема преобразуют токи на частотах f1 и f2 в напряжение U1(t)=Um1cost (n=1, 2, …, n-1, =2pF), преобразуют напряжение промышленной частоты F в напряжение гетеродина Ur(t)=Umrcos(nt), преобразуют напряжения U1(t) и Ur(t) в постоянное положительное напряжение U1, интегрируют напряжение U1 на интервале T1 (T1=1, 1 - длительность передачи символа "1"), выделяют сигнал, соответствующий символу "1", при этом начало и конец интервала интегрирования T1 совмещают с началом и концом передачи символа "1".
При передаче символа "0" в пункте передачи преобразуют напряжение промышленной частоты F в ток обратной последовательности на частоте f3 и ток прямой последовательности на частоте f4, передают эти токи по трехфазной электрической сети в пункт приема, преобразуют токи на частотах f3 и f4 в напряжение U2(t)==Um2 cos(nt-180o), преобразуют напряжения U2(t) и Ur(t) в постоянное отрицательное напряжение U2 на интервале Т2 (Т2=2, 2 - длительность передачи символа "0"), выделяют сигнал, соответствующий символу "0", при этом начало и конец интервала интегрирования Т2 совмещают с началом и концом передачи символа "0". Достижение технического результата обеспечивают за счет применения на приемном пункте операции интегрирования, причем начало и конец интегрирования производят в характерных точках, которыми являются моменты времени перехода питающего напряжения U(t)=Umcost через ноль при dU(t)/dt0. Эти моменты времени соответствуют началу и концу передачи символов "1" и "0" на передающем пункте. Недостатком данного способа является низкая скорость передачи информации, не обеспечивающая цифровую передачу речевых сообщений.
Известен способ передачи видеоинформации по электросети (патент США 5592482 от 12.09.94 г.), в котором частотно-модулированные (ЧМ) видеосигналы вводятся в электрическую проводку через устройство, согласующее импеданс распределительной кабельной телевизионной сети с импедансом электропроводки, имеющей специфический характеристический импеданс. На приемной стороне сигнал из электропроводки селектируется полосовым фильтром, соответствующим определенному телевизионному каналу, и подается на телевизионный приемник. Данный способ имеет такие недостатки, как зависимость качества приема видеосигнала от текущего импеданса и величины помех в электросети, кроме того, частотно-модулированный сигнал не позволяет плавно перестраивать скорости передачи информации в доступном для информационного обмена диапазоне частот по электропроводке.
Известна также аппаратура приема-передачи по а.с. № 300946, 1971 г. Этот способ заключается в следующем. На передающей стороне формируют сфазированные между собой ортогональные ПСП, которые умножают на колебание несущей частоты, которое сдвигают по фазе на 90°, и на колебания несущей частоты, проманипулированные по фазе на 0°, результаты перемножения складывают, получая четырехфазный псевдослучайный сигнал.
На приемной стороне принятые сигналы демодулируют и фильтруют. В результате выделяют колебание несущей частоты и то же колебание, проманипулированное по фазе передаваемой дискретной информацией, затем из этих колебаний выделяют информационную разность фаз между сигналами.
Недостатком такого способа и устройства является необходимость передачи опорного сигнала для качественного восстановления фазоманипулированного сигнала на приемной стороне, что приводит к нерациональному использованию мощности передатчика.
Кроме того, недостатком является недостаточная помехоустойчивость и скорость передачи информации.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемым способу и устройству являются способ и устройство передачи и приема сообщений по электросети по патенту РФ №2216854, опубл. 20.11.2003, принятые за прототип. В известном способе модулируют дискретный информационный сигнал модулирующей псевдослучайной последовательностью импульсов, полученным сигналом модулируют фазу сигнала несущей частоты, передают промодулированный сигнал несущей частоты в электросеть, принимают этот сигнал, перемножают его с копией псевдослучайной последовательности импульсов. Модулирующую псевдослучайную последовательность импульсов сдвигают по времени на один такт в зависимости от значения дискретного информационного сигнала, результаты упомянутого перемножения накапливают, сравнивают с пороговыми значениями, определяемыми наличием сигнала, соответствующего передаче "1" или "0" в дискретном информационном сигнале и по результатам упомянутого сравнения определяют значение передаваемой информации.
На передаче модулируют дискретный информационный сигнал ПСП вида (N+1), где N=2m-1, специально доопределяют дополнительный бит, базовую ПСП сдвигают на n дискретно, если передаваемый сигнал дискретный, или с плавным сдвигом кодирующей ПСП в пределах n, если передаваемый сигнал аналоговый, манипулируют фазу несущего колебания в соответствии с генерируемой последовательностью.
На приеме: перемножают принимаемую ПСП типа (N+1) с копией (N+1), накапливают результат перемножения, сравнивают результаты накопления в разных каналах приема, выносят решение о значении принятого сигнала.
Устройство по прототипу на передающей стороне содержит генератор несущей и тактовой частот, первый выход которого соединен с входом генератора модулирующей псевдослучайной последовательности, фазовый манипулятор, вход которого соединен со вторым выходом генератора несущей и тактовой частот и устройство присоединения к электросети, а на приемной стороне содержащее устройство присоединения к электросети, первый и второй перемножители, первые входы которых объединены и соединены с входом устройства синхронизации, а вторые входы соединены с выходом генератора копии модулирующей псевдослучайной последовательности, вход которого соединен с выходом устройства синхронизации. На передающей стороне выход генератора модулирующей псевдослучайной последовательности соединен со вторым входом фазового манипулятора, а на приемной стороне введены первый и второй интеграторы, выходы которых соединены с входами схемы сравнения, первые входы интеграторов соединены с выходами соответствующих перемножителей, причем второй вход первого перемножителя соединен с выходом генератора копии модулирующей псевдослучайной последовательности через элемент задержки, вторые входы интеграторов и третий вход схемы сравнения соединены с выходом устройства синхронизации.
Недостатком прототипа является недостаточные помехоустойчивость и скорость передачи информации, а также нерациональные энергетические затраты при передаче одного бита информации по проводам электросети.
В основу изобретения положена задача создания способа и устройства, позволяющих устранить недостатки прототипа, в частности, получить достоверную информацию на приемной стороне при рациональных энергетических затратах.
Указанная задача достигается тем, что в способе передачи и приема сообщений по электросетям модулируют дискретный информационный сигнал модулирующей псевдослучайной последовательностью импульсов, которую сдвигают по времени в зависимости от значений дискретного информационного сигнала, полученный сигнал передают в электросеть, принимают этот сигнал, перемножают его с копиями псевдослучайной последовательности импульсов, результаты перемножения накапливают, согласно изобретению, модулирующую псевдослучайную последовательность импульсов на передающей стороне сдвигают по времени на один из возможных n>2 тактов в зависимости от одного из n возможных значений дискретного информационного сигнала, полученный сигнал умножают на вторую псевдослучайную последовательность импульсов, на приемной стороне принятый из электросети сигнал перемножают на копию второй псевдослучайной последовательности импульсов, предварительно фазированную со второй псевдослучайной последовательностью импульсов передатчика, полученный сигнал перемножают на все возможные n сдвиги первой копии модулирующий псевдослучайной последовательности импульсов и накапливают их в n интеграторах, полученные n результаты накопления сравнивают между собой, выбирают максимальное значение, и по полученному результату определяют значение передаваемой информации.
Заявленный способ также достигается устройством, содержащим на передающей стороне блок присоединения к электросети, генератор тактовой частоты, выход которого соединен с первым входом первого генератора модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов, второй вход которого соединен с информационным входом устройства, а на приемной стороне содержащее блок присоединения к электросети, первый и второй перемножители, вторые входы которых соединены с выходом первого генератора копии модулирующей псевдослучайной последовательности, вход которого соединен с выходом блок синхронизации, первый и второй интеграторы, выходы которых соединены с входами схемы сравнения, первые входы интеграторов соединены с выходами соответствующих перемножителей, причем второй вход первого перемножителя соединен с выходом первого генератора копии модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов через элемент задержки, вторые входы интеграторов и третий вход схемы сравнения соединены с выходом блок синхронизации, в котором, согласно изобретению, на передающей стороне введен дополнительный второй генератор модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов и перемножитель, вход которого подсоединен к выходу дополнительного второго генератора модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов, а выход - ко входу блока присоединения к электросети, причем выходы обоих генераторов модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов подсоединены ко входам перемножителя, а на приемной стороне введены второй генератор копии модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов, n-2 дополнительных интеграторов, n-2 дополнительных элементов задержки, дополнительный первый перемножитель и n-2 дополнительных перемножителей, первый вход одного из которых подключен к выходу блока подсоединения к сети, второй вход - к выходу второго генератора копии модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов, а выход к первым входам всех остальных перемножителей, вторые входы n-2 вновь введенных дополнительных перемножителей подключены к первому генератору копии модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов через дополнительные элементы задержки, а выходы n-2 вновь введенных дополнительных перемножителей подключены к схеме сравнения через n-2 дополнительных интеграторов.
Повышение помехоустойчивости достигается за счет передачи в линию связи сигналов, не являющихся, в отличие от прототипа, циклическими сдвигами друг друга, так как они предварительно поэлементно перемножаются на вторую псевдослучайную последовательность, в результате чего приобретают свойство двойной квазиортогональности, то есть они почти ортогональны при всевозможных взаимных сдвигах. В прототипе же используются циклические сдвиги сигналов, что существенно уменьшает кодовое расстояние между ними под воздействием частотных искажений и многолучевости, характерных для электросети. На фиг.4 представлены результаты экспериментального сравнительного моделирования помехоустойчивости прототипа и предлагаемого устройства для случая передачи двух сигналов длины n=1023. Моделировалась частотная характеристика реальной линии связи, в качестве которой использовались провода электрической сети многоэтажного жилого дома. Эксперимент проводился на фоне помех в виде белого шума и гармоник сети 50 Герц. Из графика видно, что предлагаемое устройство выигрывает у прототипа около 7 децибел по отношению сигнала к шуму.
2
Увеличение скорости передачи достигается за счет увеличения ансамбля используемых сигналов до величины n>2, то есть каждый передаваемый сигнал переносит не один бит информации, как реализовано в прототипе, a log(n) бит. Например, при n=1024, каждый передаваемый сигнал переносит 10 бит информации, то есть скорость передачи информации увеличивается в 10 раз при совпадающей с прототипом полосой занимаемых частот.
На фиг.1 - схема передающей стороны устройства передачи сообщений по электросетям;
на фиг.2 - схема принимающей стороны устройства передачи сообщений по электросетям;
на фиг.3 - эпюры формируемых сигналов для передачи сигнала.
на фиг.4 - графики результатов экспериментального моделирования.
Предлагаемый способ заключается в следующем.
На передающей стороне: модулируют дискретный информационный сигнал модулирующей псевдослучайной последовательностью (ПСП) импульсов длины N, где N=2m-1, для чего базовую ПСП сдвигают на t тактов, где число t в двоичном представлении соответствующее двоичному значению передаваемой информации. Затем, полученный сигнал поэлементно умножают на вторую ПСП. В результате получают кодовую последовательность, обладающую свойством двойной квазиортогональности, то есть почти ортогональную всем возможным N кодовым последовательносям и всем их циклическим сдвигам.
На приемной стороне: перемножают принимаемый сигнал на копию второй ПСП, предварительно фазированную при помощи устройства синхронизации со второй ПСП передатчика, полученный сигнал перемножают на множество n<=N всевозможных тактовых сдвигов копии первой ПСП, накапливают результат перемножения, сравнивают результаты накопления в разных каналах приема, выносят решение о значении принятого сигнала.
Для реализации заявленного способа на передающей стороне используют схему, представленную на фиг.1, где 1 - тактовый генератор, 2 - первый генератор модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов, 3 - второй генератор модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов, 4 - перемножитель, 5 - блок присоединения к электросети.
На передающей стороне схема содержит тактовый генератор 1, выходы которого соединены со входами первого генератора 2 модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов и второго 3 генератора модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов, которые через соответсвующие входы перемножителя 4 подсоединены ко входу блока 5 присоединения к электросети, выход которого является выходом передатчика.
Для реализации этого способа на приемной стороне используют схему, представленную на фиг.2, где 6 - блок присоединения к электросети, 7 - блок синхронизации, 8 - дополнительный первый перемножитель, 9 - второй генератор копии модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов, 10 - первый генератор копии модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов, 11 - тактовый генератор, 12 - перемножитель, 13 - перемножитель, 14-18 - дополнительные перемножители, 19 - элемент задержки, 20-24 - дополнительные элементы задержки, 25-26 интеграторы, 27-31 - дополнительные интеграторы, 32 - схема сравнения.
На приемной стороне схема содержит блок присоединения к электросети, первый и второй перемножители, вторые входы которых соединены с выходом первого генератора копии модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов, вход которого соединен с выходом блок синхронизации, первый и второй интеграторы, выходы которых соединены с входами схемы сравнения, первые входы интеграторов соединены с выходами соответствующих перемножителей, причем второй вход первого перемножителя соединен с выходом первого генератора копии модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов через элемент задержки, вторые входы интеграторов и третий вход схемы сравнения соединены с выходом блок синхронизации, второй генератор копии модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов, n-2 дополнительных интеграторов, n-2 дополнительных элементов задержки и n-1 дополнительных перемножителей, первый вход одного из которых подключен к выходу блока подсоединения к сети, второй вход - к выходу второго генератора копии модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов, а выход к первым входам всех остальных перемножителей, вторые входы n-2 дополнительных перемножителей подключены к первому генератору копии модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов через дополнительные элементы задержки, а выходы n-2 дополнительных перемножителей подключены к схеме сравнения через n-2 дополнительных интеграторов.
Работа устройства заключается в следующем.
В передатчике генератор тактовой частоты 1 формирует тактовую частоту. С выхода генератора 1 тактовая частота поступает на вход генератора ПСП 2, который формирует двоичную псевдослучайную последовательность длины N, сдвиг которой на t относительно некоторого базового значения определяется численным значением дискретной входной информации. Полученный сигнал затем умножается в умножителе 4 на вторую ПСП, формируемую вторым генератором ПСП 3. Результирующий сигнал через устройство 5 присоединения к электросети поступает на выход передатчика.
В приемнике принимаемый из электросети сигнал через блок 6 присоединения к электросети поступает на вход блока 7 синхронизации и вход дополнительного первого перемножителя 8, на второй вход которого поступает псевдослучайная последовательность с выхода второго генератора 9 копии модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов, предварительно фазированного со вторым генератором модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов передатчика при помощи сигналов блока 7 синхронизации. С выхода перемножителя 8 сигнал поступает на первые входы n перемножителей 12-18, на вторые входы которых поступают всевозможные n сдвиги копии псевдослучайной последовательности с выхода первого генератора 10 копии модулирующей псевдослучайной последовательности импульсов. Интеграторы 25-31 накапливают результаты перемножения и выдают их на схему сравнения 32, которая выбирает максимальный сигнал и определяет значение передаваемой информации. Синхронизация работы приемника в момент запуска генераторов ПСП 9 и 10, момент сброса интеграторов 25-31 и разрешения работы схемы сравнения 32 обеспечивается устройством синхронизации.
Эпюры формируемых сигналов представлены на фиг.3 (на примере 15 - элементной последовательности).