Устройства передачи информации по сети электропитания

Во всех вышеперечисленных технологиях есть свои преимущества и недостатки. И поэтому каждая технология находит применение в тех ситуациях, где она наиболее удовлетворяет потребностям пользователей.

При современном уровне развития компьютерной техники и сетевых технологий, к компьютерным сетям предъявляются жесткие требования. Компьютерная сеть должна обеспечивать требуемую для конкретных условий скорость передачи; так же она должна быть мобильной, с большим количеством точек доступа, при этом не должна требоваться прокладка кабеля; сеть должна иметь простое администрирование; она должна обеспечивать высокую надежность при простых технических решениях; сеть должна поддерживать все возможные типы сетевого оборудования и при всем этом она должна быть дешевой.

Все сетевые технологии в разной степени удовлетворяют всем этим требованиям. Поскольку многие требования являются противоречивыми. Поэтому производители сетевого оборудования пытаются удовлетворить либо все требования в равной степени, либо только наиболее важные, но с высоким качеством.

При всеобщей глобальной компьютеризации, как простого населения, так и предприятий, организаций и спецслужб появилась необходимость организации временных компьютерных сетей в очень короткое время. В основном такая необходимость возникает на предприятиях и организациях занятых исследовательской деятельностью или раздельным выполнением одного проекта, а так же у организаций занятых ликвидацией чрезвычайных ситуаций.

Стандартные методы организации локальных сетей, в этом случае, будут неэффективными. При использовании стандартных методов появиться большое количество проблем, связанных с тем, что если сеть организовывается на короткий интервал времени, то необходимо каждый раз организовывать новую кабельную систему. Что является слишком дорогостоящим мероприятием. Так же прокладка новой кабельной системы будет занимать длительное время, что в некоторых случаях является довольно критичным фактором. Сейчас существуют технологии, позволяющие организовать беспроводные локальные сети (RadioEthernet, сети на инфракрасном излучении и лазерные сети). Однако эти методы также отличаются сложностью организации и дороговизной. Кроме того, область их использования довольно ограничена, так как сигналы высокой частоты, на которых построены эти сети, не проходят сквозь металлоконструкции и железобетонные стены. Организация компьютерной сети по телефонным линиям так же довольно проблематична, поскольку не в каждом помещении имеется телефонный кабель с разъемом.

Таким образом, альтернативой рассмотренных методов является организация локальной компьютерной сети по энергосети. Достоинствами этого метода являются: наличие разветвленной и распространенной сети электропитания; кабельная система электропитания отличается своей надежностью; нет необходимости в прокладке кабеля; легкодоступность энергосети позволяет без больших затрат времени организовать подключение. Исходя из всего этого, можно сделать вывод, что данный метод организации локальной сети является наиболее простым в реализации, наиболее дешевым и сеть, организованная данным методом, является наиболее мобильной. Однако существуют и некоторые недостатки, например, разное качество энергосетей, наличие в сети электропитания развязывающих трансформаторов (т. е. для организации сети необходимо иметь точную схему электропроводки), низкая степень обеспечения защиты информации, а так же сравнительно невысокая производительность.

В 1998 году появилось устройство PassPort Plug-In Network Kit фирмы Intelogis, которое позволяет объединить до 20 компьютеров в сеть посредством обычной энергосети. Для установки PassPort необходимо подключить адаптер к энергосети и соединить его с параллельным портом компьютера. Это устройство отличается низкой ценой, по сравнению с устройствами беспроводной связи или устройствами кабельных сетей. Недостатком устройства PassPort является низкая производительность (350 кБит/с) [5].

2. ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК РЕАЛЬНОГО КАНАЛА СВЯЗИ. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ РАБОТЫ СИСТЕМЫ

При проектировании системы передачи данных, исходными предпосылками являются частотный диапазон, в котором будет происходить передача, и сигналы помехи, существующие в данной среде. Для уже существующей среды передачи производиться измерение амплитудно-частотной характеристики, а также определение существующих помех, их амплитуды и частоты, методы борьбы с помехами и наиболее подходящие диапазоны частот для передачи данных в данной среде. Зная распределение помех, можно выделить полезный сигнал, увеличив амплитуду полезного сигнала до допустимого соотношения сигнал-шум. Зная частоты, на которых действуют помехи, можно выбрать для передачи полезного сигнала тот частотный диапазон, где действие помех наименьшее.

Поскольку энергосеть имеет свои отличительные особенности от других сред передачи данных, такие как высокое напряжение (220/380 В) и промчастоту (50 Гц), то для организации высокочастотной связи необходимо использовать устройства присоединения, которые соединяют передатчик (приемник) к среде. Устройством присоединения обычно является полосовой фильтр, включающий в себя конденсаторы присоединения, и выполняющий следующие функции:

- отсекает промчастоту и пропускает только полезный высокочастотный сигнал;

- служит заградительным устройством для высокого напряжения;

- служит согласующим элементом между высокочастотным кабелем и линейным трактом, так как волновое сопротивление кабеля не равно характеристическому сопротивлению линейного тракта [6].

Для проведения измерений амплитудно-частотных характеристик линий энергосети так же необходимо использовать устройство присоединения.

Заранее можно предположить, что на низких частотах в энергосети будет иметь место сильное влияние промчастоты, а так же сильные помехи от переходных процессов, регулярно присутствующих в энергосети. Поэтому область нижних частот не подходит для передачи данных и измерения амплитудно-частотной характеристики энергосети целесообразно проводить на высоких частотах (более 200 кГц).

Для проведения измерений было выбрано устройство присоединения, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.1, со значениями С=100 нФ, R=2.2 кОм.

Значения элементов схемы выбраны с учетом обеспечения максимального коэффициента передачи в используемой полосе частот. Такое устройство присоединения имеет следующие амплитудно-частотные характеристики (рис. 2.2 и 2.3).

Рисунок 2.1 - Принципиальная схема устройства присоединения построенного на RC-фильтре

Рисунок 2.2 - Амплитудно-частотная характеристика устройства присоединения со стороны входа.

Рисунок 2.3 - Амплитудно-частотная характеристика устройства присоединения со стороны линии.

Амплитудно-частотные характеристики позволили определить диапазон, частот в котором устройство присоединения имеет минимальное влияние. Таким диапазоном оказался диапазон от 200 кГц и выше, в котором устройство имеет характеристики удовлетворяющие условиям проведения измерений и организации передачи данных.

Таким образом, для определения усредненной амплитудно-частотной характеристики сетей электропитания, провелся ряд экспериментальных измерений. Измерения проводились в условиях наиболее приближенным к условиям эксплуатации разрабатываемого устройства. Для получения наиболее точных данных было проведено большое количество измерений на различных участках энергосети, что позволило определить общий характер помех в энергосети. Во время проведения измерений на диапазоне частот до 500 кГц были выявлены помехи, имеющие случайный характер с большими амплитудами. Это помехи от переходных процессов и они имеют большое влияние в полосе частот до 500 кГц. С ростом частоты помехи имеют меньшие амплитуды и их спектральные составляющие расположены довольно редко, что позволяет найти диапазоны, в которых можно передавать данные. Однако так же с ростом частоты в энергосети увеличивается затухание передаваемых сигналов [6]. Эти условия вынуждают ограничить возможный частотный диапазон передачи данных от 500 кГц до 1 МГц.

Измерения проводились с помощью следующих приборов: генератор стандартных сигналов Г4-18А, генератор сигналов низкочастотный Г3-102, генератор сигналов низкочастотный Г3-56/1, осциллограф универсальный С1-70, анализатор спектра С4-25.

По результатам измерений был построен спектр сети электропитания (рис. 2.4).

Исходя из полученного спектра, видно, что уровни помех на данном частотном диапазоне не превышают 300 мкВ. Не смотря на то, что уровень помех не велик для обеспечения наиболее надежной передачи данных, выбирается диапазон частот с наименьшими помехами.

Рисунок 2.4 - Распределение помех в частотной области канала связи

Проведенные измерения амплитудно-частотной характеристики энергосети показали, что в диапазоне частот от 500 кГц до 1 МГц довольно плотный спектр помех. Однако присутствует несколько участков диапазона, в которых помехи на столько малы, что ими можно пренебречь. Это участки 649 - 695 кГц, 745 - 795 кГц, 830 - 880 кГц, 886 - 932 кГц и 943 - 988 кГц.

Таким образом, выбираем четыре диапазона частот с равными полосами 45 кГц (649 - 695 кГц, 745 - 795 кГц, 830 - 880 кГц и 943 - 988 кГц). Отсюда можно предположить, что система передачи данных по энергосети может работать в полудуплексном режиме, при этом используется разделение передаваемого потока данных на две полосы, а также для повышения надежности системы - резервирование. То есть по двум (основным) частотным диапазонам передается поток данных, разделенный на две части. Резервирование осуществляется на других двух частотных диапазонах (когда основные диапазоны находятся в нерабочем состоянии, система начинает работать на резервных диапазонах аналогично работе на основных). При выборе основных и резервных диапазонов, следует учесть характер действующих помех. То есть помехи, действующие в одном диапазоне, не должны проявляться в другом. Для этого диапазоны максимально разносятся по частоте. Это все позволяет увеличить помехоустойчивость системы.

Выбираем основными диапазонами передачи данных диапазоны 649 - 695 кГц (ширина 46 кГц) и 830 - 880 кГц (ширина 50 кГц). Резервными диапазонами выбираем 745 - 795 кГц и 943 - 988 кГц.

3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Для организации передачи данных по энергосетям передаваемая информация подвергается тем же преобразованиям, что и при передаче данных по телефонной сети общего пользования. То есть передаваемая информация на передающем конце подвергается кодированию, цифро-аналоговому преобразованию и модуляции, а на приемном конце - демодуляции, аналого-цифровому преобразованию и декодированию.

Поскольку каждый абонент системы передачи данных является как источником, так и получателем информации, то на каждом ПК необходимо организовать передающую и приемную части системы. Это удобно организовать, используя для передатчика и приемника один внутренний и внешний интерфейсы. Таким образом, обобщеная структурная схема системы передачи данных на одном ПК будет иметь следующий вид (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 - Обобщеная схема системы передачи данных

Из рис. 3.1 видно, что передаваемые информация в цифровом виде поступает в устройство передачи данных через внутренний интерфейс. Внутренний интерфейс служит для выделения из всего потока данных, которые передаются по внутренней шине данных ПК, тех, которые предназначены для передачи в линию связи. Процесс выделения происходит в соответствии адресной информацией, передаваемой по шине адреса. Из этого следует, что внутренний интерфейс обеспечивает поступление в передающее устройство только тех данных, которые необходимо передать по линии связи. Таким же образом, принятые приемником данные, передаются через внутренний интерфейс в ПК для дальнейшей обработки.

Внешний интерфейс служит для согласования устройства передачи и приема данных с линией связи. Он выполняет функции разделения сигналов по направлениям, адаптацию сигналов к среде передачи, развязки по напряжению, согласования сопротивлений в линии и линейном тракте и выделения только полезного сигнала.

Процессы кодирования, декодирования, цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразования, а так же модуляции и демодуляции выполняются микропроцессорной системой. Эта система имеет в своем составе постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), которое содержит программное обеспечение, обеспечивающее выполнение определенных функций микропроцессорной системы. Так же в нее входят оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ). ОЗУ используется для хранения промежуточных результатов вычислений, ключевых данных. В ППЗУ заносятся временные алгоритмы работы микропроцессорной системы. Все преобразования, которым подвергается сигнал, выполняются в самом микропроцессоре (МП). К используемому микропроцессору предъявляются особые требования. Так как при реализации алгоритмов кодирования и декодирования основной математической операцией является умножение с плавающей запятой, то при использовании классических МП резко возрастает сложность написания программ и время их выполнения. Сегодня в цифровой обработке сигналов широко применяются цифровые сигнальные процессоры, называемые еще - DSP-контроллерами. Основное достоинство этих DSP-контроллеров - возможность выполнения однотактных умножений, сложений, наличие специфических команд, таких как двоичная инверсия. Использование такого DSP-контроллера резко снижает требования к его быстродействию, что положительно сказывается на цене системы. Используя в микропроцессорной системе, наряду с обычным микропроцессором, DSP-контроллер, можно перераспределить выполняемые функции. Так МП занимается организацией обмена данными по шине данных с ПК, генерируя и получая адресную информацию по шине адреса, то есть выполняет функции внутреннего интерфейса. Так как быстродействие DSP-контроллера на много выше МП, то он выполняет функции кодирования, декодирования, цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразования, а так же модуляции и демодуляции.

Внешний интерфейс организован несколькими устройствами, которые выполняют каждый свою функцию. Для адаптации сигнала к линии связи используется адаптивный эквалайзер. Эхокомпенсатор используется для разделения сигналов по направлениям. Устройство присоединения, выполняющее следующие функции: отсекает промчастоту и пропускает только полезный высокочастотный сигнал, служит заградительным устройством для высокого напряжения, служит согласующим элементом между высокочастотным кабелем и линейным трактом, так как волновое сопротивление кабеля не равно характеристическому сопротивлению линейного тракта.

Страницы: 1, 2, 3