Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние технологии передачи данных по линиям электропитания 13
1.1. Особенности построения систем на основе передачи данных по линиям электропитания 13
1.1.1. Разновидности систем на основе передачи данных по линиям электропитания и области их применения 16
1.1.2. Проблемы технологии передачи данных по линиям электропитания 18
1.2. Ортогональное частотное мультиплексирование 23
1.2.1. Сферы применения OFDM: обзор проводных и беспроводных технологий на основе OFDM 23
1.2.2. Математическое описание формирования OFDM-сигнала 26
1.2.3. Текущие разработки в системах использующих OFDM-модуляцию 32
1.3. Компенсация межсимвольной интерференции в проводных каналах связи 36
1.3.1. Существующие подходы к компенсации МСИ 37
1.3.2. Дробно-интервальная предварительная коррекция цифрового сигнала 39
1.4. Выводы к главе 1 41
2. Математическое описание электромагнитных процессов в системах передачи данных по линиям электропитания 43
2.1. Кабельная сеть передачи электроэнергии как существенно-неоднородная многопроводная линия 43
2.2. Анализ электромагнитных процессов в многопроводных кабельных линиях 43
2.3. Определение граничных условий модели для анализа электромагнитных процессов в многопроводных кабельных линиях 50
2.4. Нахождение величин напряжений и токов при анализе электромагнитных процессов в многопроводных кабельных линиях 53
2.5. Выводы к главе 2 63
3. Математическое описание совместного применения предварительной коррекции и OFDM в передаче данных по линиям электропитания 64
3.1. Схемы применения предварительной коррекции в системах передачи с OFDM 64
3.2. Алгоритм реализации предварительной коррекции в PLC-системах 67
3.3. Синтез корректирующего фильтра для OFDM-сигнала 70
3.4. Спектральная эффективность применения коррекции OFDM-системы 75
3.5. Возможность применения коррекции в системах использующих OFTDM 76
3.6. Последовательность определения параметров корректирующего фильтра на сеансовом уровне сетевой модели OSI 80
3.7. Выводы к главе 3 83
4. Реализация имитационной модели ОФДМ модулятора с дробно-интервальным предкорректором 85
4.1. Алгоритм вычисления коэффициентов корректирующего цифрового фильтра для имитационной модели 85
4.2. Блок-схемы проведения имитационного моделирования 90
4.3. Вероятность появления битовой ошибки при прохождении сигнала по линии электропередачи 92
4.4. Выводы к главе 4 100
Заключение 101
Список использованных сокращений 103
Список использованных источников
- Проблемы технологии передачи данных по линиям электропитания
- Анализ электромагнитных процессов в многопроводных кабельных линиях
- Спектральная эффективность применения коррекции OFDM-системы
- Блок-схемы проведения имитационного моделирования
Проблемы технологии передачи данных по линиям электропитания
Технологии передачи данных по электросетям принято разделять на широкополосные системы (Broadband over Power Lines) и узкополосные системы (Narrowband over Power Lines). Широкополосные системы (со скоростью 1...200 Мбит/c) ориентированы на системы высокоскоростного доступа к интернету, на создание домашних компьютерных сетей, а также на приложения, требующие высокоскоростного обмена данными: потоковое видео, системы видеоконферен-цсвязи, цифровой телефонии и т.д. Узкополосные (низкоскоростные) системы ориентированы на использование в средствах домашней автоматики, в управлении простейшими бытовыми приборами и т.д. В этом случае достаточно значительно меньшей пропускной способности канала (0,1...100 Кбит/с). В настоящее время создано и эксплуатируется большое число высокоскоростных магистральных информационных сетей, однако возможность подключение к ним конечных потребителей в ряде случаев все еще остается проблемной. Большинство подключений осуществляется путем прокладки кабеля от высокоскоростной линии до офиса или квартиры пользователя. В силу ряда причин прокладка кабеля может оказаться крайне нежелательной или даже невозможной. Например, это происходит в случае небольших фирм, часто меняющих арендуемые помещения. Поскольку необходимость подключения к интернету стала неотъемлемой частью ведения бизнеса многих компаний, весьма привлекательна возможность использовать уже имеющуюся в каждом здании электропроводку. При этом каждая электрическая розетка может стать точкой подключения к глобальной сети – требуется лишь PLC-модем [13].
Используется также классификация PLC-систем по типу используемых линий электропередачи [12].Электрические сети подразделяются на три класса: высоковольтные (100 кВ и более), линии среднего напряжения (4...50 кВ) и низковольтные (до 0,4 кВ) [14]. Структура сетей энергоснабжения и области применения PLC-технологии приведены на рисунке 1.1.
Структура сетей электропередач и области применения PLC-технологии Технология передачи данных по линиям электропитания открывает возможности для реализации концепции «умного дома», в котором вся бытовая элек 18 троника объединена в единую информационную сеть с возможностью центрального управления. Электрическая сеть – идеальная среда передачи управляющих сигналов между бытовыми устройствами и приборами, работающими от сети 110/220 В. Специализированные микросхемы, встроенные в различные приборы могут обеспечить возможность приема-передачи данных через электрическую сеть, а также обмен данными через интернет между администратором и системой. Кроме того, можно также организовать передачу данных датчиков охранной сигнализации, аудиоданных, расширить и продлить телефонные линии и т.д. [15].
PLC-технология может найти применение в распределенных системах управления и учета в цехах; в системах жизнеобеспечения зданий (лифтах, системах кондиционирования и вентиляции и т.д.); системах складского хранения; средствах учета потребления электроэнергии, воды, газа, тепла; системах охранной и пожарной сигнализации в дачных поселках, гаражных кооперативах и т.д. Фактически информационную сеть можно развернуть на любом участке, где уже имеются линии электроснабжения. PLC-технология может успешно использоваться в средствах домашней автоматики для управления бытовыми приборами [1].
В телекоммуникациях пока не существует такой среды передачи, при применении которой не возникало бы помех, искажений, потери сигнала. Большинство технологий перешли от аналоговых к цифровым сигналам. И очень часто возникает необходимость в передаче цифрового сигнала по неоднородной кабельной линии, которая раньше эксплуатировалась, с применением одного типа связи, а сейчас к ней предъявлены уже новые требования, на появление которых данная линия не рассчитывалась [16].
Примером таких технологий являются проводные технологии передачи цифровых данных, использующие OFDM-модуляцию: PLC, DVB или технология DSL. Во всех случаях от провайдера сети до потребителя информация всегда идет по существенно-неоднородной линии, состоящей из различных участков ка 19 беля. В случае применения телефонных кабелей (DSL) это может быть сначала участок от АТС до распределительного шкафа, дальше от шкафа до кабельного ящика, от ящика до абонента. И на каждом из участков применяется различный кабель, разного сечения, различного состояния износа [16]. Сложность организации связи по линиям электросети заключается в том, что существующие электросети изначально не предназначались для передачи данных. Они отличаются высоким уровнем помех и большим затуханием высокочастотного сигнала, а также тем, что параметры линии, зачастую постоянные для традиционных физических сред передачи данных, существенно изменяются во времени в зависимости от текущей нагрузки [12].
Проложенные в большинстве случаев с нарушениями норм неэкранирован-ные, разделенные трансформаторами, с большими помехами, возникающими в результате работы многочисленных энергопотребителей, силовые линии электрической сети относятся к одной из наихудших сред для надежной передачи данных. Еще одна проблема – низкое качество и изношенность электропроводки в многоквартирных домах старой постройки. До недавнего времени в этих зданиях использовались алюминиевые провода, которые обладают меньшей электропроводностью по сравнению с медными. Кроме того, скрутки проводов, которые часто имеются в домашней проводке, также негативно влияют на прохождение сигнала. Поэтому к технологии PLC лучше приспособлены здания новой постройки, в которых зачастую применяются медные провода и современные технологии их соединения и подключения [12].
Анализ электромагнитных процессов в многопроводных кабельных линиях
Для участков линии электропитания характерной особенностью является их разветвленность и неоднородность. Если рассматривать участок линии от трансформаторной подстанции до непосредственной абонентской розетки, то зачастую участки кабельной инфраструктуры представляют собой соединения кабелей различных типов, которые в свою очередь могут быть изготовлены из различных токопроводящих материалов. Точки соединения элементов кабельной сети выполняются сварочными, болтовыми, муфтовыми соединениями. Оплетка различных типов кабелей меняется в зависимости от условий прокладки кабеля и его технологического предназначения. Таким образом, вся сеть представляет собой явно неоднородную линию передачи с имеющимися в ней локальными неоднородностями (узлы соединений).
Наиболее общий подход при математическом описании и анализе электромагнитных процессов в кабельных сетях основан на решении уравнений Максвелла. Однако такой подход оказывается сложным даже для самых простейших случаев. Поэтому обычно прибегают к определенным приближениям, в результате которых электромагнитные процессы можно исследовать с помощью теории цепей с распределенными параметрами с применением обобщенной системы телеграфных уравнений или обобщенной системы уравнений длинной электрической линии [16, 60, 61, 62, 64]. Данным исследованиям о прохождении сигнала по существенно-неоднородной многопроводной линии посвящена данная глава диссертационного исследования.
Технологии PLC и DSL – это цифровые семейства технологий, позволяющие использование в качестве тракта линии электропитания для PLC- систем и значительно повысить пропускную способность абонентской линии телефонной сети общего пользования для случая DSL. В обоих случаях, от провайдера сети до потребителя, информация всегда идет по существенно-неоднородной линии, состоящей из различных участков кабеля. В случае применения телефонных кабелей это может быть сначала участок от АТС до распределительного шкафа, дальше от шкафа до кабельного ящика, от ящика до абонента. И на каждом из участков применяется различный кабель, разного сечения, различного состояния износа.
Связь по линиям электропередач обладает рядом особенностей, отличающих её от других видов связи. В первую очередь это специфические условия распространения сигналов по многопроводным неоднородным линиям больших габаритов, большие уровни энергетических помех, вызванных наличием высокого напряжения промышленной частоты, необходимость в специальных устройствах для присоединения ВЧ и PLC аппаратуры к проводам электропередачи.
Таким образом, участки телефонной линии или линии электропитания, используемые как среда передачи информации, можно рассматривать как явно неоднородную линию. А все упомянутые условия, вызывающие ухудшение качества сигнала, уменьшение регенерационного участка показывают необходимость исследования данной области телекоммуникаций.
Решение системы телеграфных уравнений с одной неоднородностью было получено в [63, 83]. Рассмотрим многопроводную линию с помощью аппарата математического анализа [84, 85]. В процессе анализа будем рассматривать многопроводную линию длиной l, состоящую из n цепей и содержащую неоднородности, носящие как сосредоточенный, так и распределенный характер (Рисунок 2.1) [64].
В случае если точка x= xr i-ой цепи является началом участка линии с дефектом распределенного характера, то в точку x= xr всех цепей линии помещаются четырехполюсники с А-параметрами, определяемыми выражением (2.2). 3. В случае, если точка x=xv і-ой цепи является концом участка линии с дефектом распределенного характера, то в точку x=xv всех цепей линии помещаются четырехполюсники с А-параметрами, определяемыми выражением (2.2).
В случае если некоторая точка содержит дефект сосредоточенного характера в одной из цепей и одновременно является началом либо концом дефекта распределенного характера в той же, либо другой цепи, то для этой точки выполняется правило 1. Нетрудно показать, что данное преобразование не изменяет свойств линии.
В результате линия будет содержать п[т-\) четырехполюсников в точках хх, х2, ..., хт_х (по л четырехполюсников в каждой точке) и пт участков, описываемых либо первичными параметрами цепей, на которых они расположены, в случае, если участки не содержат дефектов с распределенными параметрами, либо, в противном случае, первичными параметрами, описывающими дефекты с распределенными параметрами [64]. Для удобства примем хт =1.
Спектральная эффективность применения коррекции OFDM-системы
Поскольку сигналы s0(/) и s}(f) известны с приближенной точностью, можно ставить лишь задачу о нахождении приближенного решения для hp{i).
В качестве такого приближенного решения будем рассматривать регуляри-зованное решение. Тогда, согласно [46, 70], для нахождения импульсной характеристики линии h (і)получаем: оператор обратного преобразования Лапласа; i(p,a) - стабилизирующий множитель, a - параметр регуляризации [58, 66, 70], т- тактовый интервал корректирующего фильтра. Однако, на передающей стороне системы для тактового интервала достаточным будет условие т Tj N,так как в передатчике имеется источник тактового сигнала и точная синхронизация корректора с полезным сигналом изначально обеспечена. Если же синхронизация между корректирующим фильтром и передатчиком отсутствует, то должно выполняться условие: т= TJ2N.
Функция tij),a) может определять регуляризующий оператор Rf(hp,)для уравнения типа свертки [70], если она удовлетворяет восьми условиям, которые приведены в [58]. Ввиду того, что в рассматриваемых функциях их изображения имеют конечные пределы ограниченные цифровой обработкой, далее параметр регуляризации примем равным единице. Таким образом, подставив выражения для тестирующего сигнала на передаче (3.5) и на приеме (3.6) в выражение для нахождения импульсной характеристики, получим следующее: абсцисса сходимости, необходимая для устойчивости приближенного решения hp(i) в окрестностях точек внутри частотного интервала [-№ m], где амплитудно-частотная характеристика канала близка к 0. В качестве контура интегрирования берется контур Бромвича Re(p) = о, оставляющий слева от себя все особые точки подынтегральной функции U0(p) [68]. После подстановки в (3.10) выражений 5п(о +/со) и S,( + /) и упрощения, получаемое выражение можно представить в виде [70]:
Приближенное вычисление hp(i) согласно (3.11) может быть выполнено с помощью численного интегрирования, например в результате применения составной квадратурной формулы Ньютона-Котеса степени [69, 70]: интервал дискретизации по частоте, т = [т/А], шє2, [] - операция целой части; Hq - известные коэффициенты, в частности для =2: Н0=Н2=\/3, НХ=А1Ъ (получаем формулу Симпсона).
Алгоритм вычисления предварительно скорректированного сигнала с помощью численного интегрирования обладает достаточно простой программной реализацией, однако вследствие дискретизации функций в частотной области длительность обрабатываемого временного интервала ограничена условием 0 ґ 2/А. Но поскольку временной интервал цифровой обработки сигнала ограничивается конечным порядком корректирующего фильтра, может быть выбрано такое значение А, при котором временной интервал предкоррекции будет удовлетворять данному условию [70, 101].
Получаемые дискретные комплексные значения приближенной ИХ аналогового прототипа hp[m] позволяют сразу вычислить комплексные коэффициенты корректирующего фильтра [67, 70, 101]: где порядок фильтра Одолжен обеспечивать обработку временного интервала не менее длительности ИХ аналогового прототипа. В выражении (3.12): Um и Uout max max - максимальные значения напряжения на входе и выходе корректора соответственно; v - количество разрядов, отводимых на дробную часть коэффициентов фильтра; round() - операция округления до целого.
В результате возможен синтез корректирующего фильтра по общему алгоритму независимо от вида передаточной функции аналогового прототипа. Предполагается, что цифровой фильтр будет реализован как программный. А именно с помощью программ, выполняемых ПЛИС, процессором или микроконтроллером. Преимуществом программных фильтров перед аппаратными является лёгкость воплощения, а также настройки и изменений, а также то, что в себестоимость такого фильтра входит только труд программиста. Недостаток в виде низкой скорости, зависящей от быстродействия процессора, а также трудная реализуемость цифровых фильтров высокого порядка предопределяет высокие требования к аппаратной скорости микроконтроллеров, на которых будет происходить реализация цифровой фильтрации. Существующий стандарт передачи данных по линиям электропитания HomePlug AV определяет верхней границей частоту в 30 МГц [17], то минимальная частота работы микроконтроллера согласно (3.7) должна быть 60 МГц.
Оценим спектральную эффективность от применения коррекции OFDM-сигнала, при условии сокращения (минимизации) длительности защитного интервала. Одна из наиболее важных характеристик цифровой системы связи, спектральная эффективность, показывает соотношение между битовой скоростью передачи данных и шириной спектра сигнала. Данный параметр определяет, насколько эффективно система использует полосу частот для передачи информации [71].
Оценка проводится при стабильности параметров системы, характеризующих качество передачи сигнала. Пусть имеется Nподнесущих, при этом частотное расстояние между ними будет составлять DF . Таким образом, ширина спектра сигнала будет:
Блок-схемы проведения имитационного моделирования
Рассмотрим подробнее блок-схемы разработанной имитационной модели кабельной системы передачи данных с OFDM. На рисунках 4.2 и 4.3 представлены схемы, согласно которым проводилось моделирование работы системы.
Согласно рекомендациям сектора стандартизации электросвязи Международного союза электросвязи, представленная модель имеет следующие основные блоки обработки сигнала.
Для передатчика, это: Источник исходных данных: генерирует случайную последовательность цифровых данных для передачи на приемную сторону системы. Для данного блока программно задается количество необходимых для экспериментального исследования символов. Блок модуляции: модулирует поступающую к нему на вход последовательность символов полезного сигнала. Для данного блока программно можно менять тип модуляции, созвездие QAM. Последовательно – параллельный преобразователь: перераспределяет входную последовательность промодулированных сигналов по параллельным по токам. Данный блок отвечает за количество поднесущих в формируемом OFDM сигнале. Защитный интервал: элемент системы для добавления к сформированному потоку параллельных сигналов защитного интервала во временной области. Для данного блока можно в процентном соотношении задавать длительность защитного интервала.
Параллельно – последовательный преобразователь: перераспределяет входную параллельную последовательность сигналов в общий последовательный поток. Данный блок смешивает поднесущие сигналов. Блок-схема имитационной модели системы с OFDM - модуляцией
Блок-схема имитационной модели кабельной системы передачи данных с OFDM с применением корректора на передающей части - Усилитель: производит усиление передаваемого в линию сформированного сигнала. - корректор (присутствует на рисунке 4.3): представляет собой корректирующий фильтр, алгоритм расчета параметров которого был описан выше.
В приемной части системы сигнал проходит через следующие блоки: -последовательно – параллельный преобразователь, - Блок, отвечающий за выделение защитного интервала, - Блок дискретного преобразования Фурье, - параллельно- последовательный преобразователь, - блок демодуляции, - приемник данных. Для блока описывающего линию передачи задаются такие параметры как: длина линии, длительность прохождения сигнала по линии, частотный коэффициент передачи канала, согласно (4.1)аналитически приближенно вычисленный по первичным параметрам кабеля.
Полный код работы имитационной модели приведен в приложении А. Вероятность появления битовой ошибки при прохождении сигнала по линии электропередачи
Рассмотрим результаты имитационного моделирования. В результате моделирования возможно применение различных типов модуляции на поднесущих. Как один из наиболее близких к эксплуатируемым в современных системах связи, а именно для стандарта HomePlug AV, рассмотрим случай с применением QAM-256 для модуляции на отдельных поднесущих сигнала. Созвездие, по которому происходила модуляция, выглядит, как показано на рисунке 4.4.Вид OFDM-сигнала во временной области представлен на рисунке 4.5. Представленная схема созвездия получена при помощи разработанной имитационной модели.
Для сравнительного анализа проводились вариации с обработкой сигнала. Результаты представлены на рисунке 4.6. Здесь красным цветом выделены значения, полученные для применения коррекции с действующим блоком добавления защитного интервала, синим цветом – для применения коррекции без защитного интервала, зеленым цветом – для случая без коррекции, но с включенным защитным интервалом. Как видно из графика, с применением корректора происходит улучшение величины символьной ошибки по сравнению со случаем его отсутствия. Также стоить отметить, что совместное применение коррекции с ЗИ показывает наилучшие значения для величины символьной ошибки при заданном значении сигнал-шум.
На рисунке 4.7 показан сводный график для символьной ошибки в случае QPSK модуляции, которая используется в стандарте HomePlug v1.0 [12, 17-19]. Различными цветами выделены значения полученные для схем с коррекцией и без нее. Также результаты разделены для случаев вариации длины кабеля в диапазоне от 10 м до 2000 м.
В результате проведенного моделирования были получены зависимости значений сигнал/шум от длины участка кабеля для QPSK модуляции (рисунок 4.8) Зависимость значений сигнал/шум от длины участка кабеля для QPSK модуляции при SER=103
Как видно из графиков, представленных на рисунке 4.8, при фиксированном значении вероятности появления ошибочного символа на приемной стороне, с ростом длинны кабельного участка возрастает соотношение сигнал/шум (красный цвет графика). После внесения в систему элемента коррекции сигнала (синий график) амплитуда увеличения соотношения сигнал/шум уменьшилась, и позволила передать сигнал на большее расстояние в диапазоне Eb/No=15 дБ.
На рисунке 4.9 представлена зависимость появления символьной ошибки для различных видов модуляции QAM на поднесущих при заданном отношении сигнал/шум. При фиксированном отношении сигнала и шума в 10 дБ с ростом количества точек в сигнальном созвездии происходит увеличение вероятности появления ошибочного символа, связанное с усложнением модуляции. При добавлении в систему корректирующего фильтра вероятность ошибки для всех типов модуляции уменьшилась, однако тенденция к увеличению ошибки в зависимости от усложнения модуляции сохранилась.
Весомую часть от длительности OFDM-символа во временном интервале занимает добавленный защитный интервал, длительность которого может варьироваться в зависимости от применяемого стандарта и достигать 40% [20]. Для случаев применения OFDM-технологии в проводной связи эта величина берется равной 25% [17-19]. В результате моделирования производилось сокращение длительности защитного интервала. Программная реализация позволяет задавать длительность ЗИ в процентном соотношении от длительности сформированного символа. На рисунке 4.10 представлен график полученных величин появления символьной ошибки от длительности ЗИ в символе для случая с применением коррекции и без неё для модуляции QAM-256 на поднесущей.
Как видно из полученных данных имитационного моделирования сокращение длительности ЗИ без применения коррекции ведет к увеличению появления символьной ошибки, ввиду воздействия на символы эффекта МСИ (красный график). Применение коррекции позволяет сократить длительность ЗИ от величины 25% в меньшую сторону, но при этом сохранить вероятность ошибки на уровне соответствующем случаю наличия ЗИ в символе (синий график). Таким образом, можно сделать вывод, что применение коррекции позволило бы сократить величину ЗИ в символе OFDM, и тем самым увеличить пропускную способность всей системы в целом.
Похожие диссертации на Применение предварительной коррекции в системах с ортогональным частотным мультиплексированием (на примере PLC-систем)
