Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Вторник, 10 декабря
 
 


Это интересно!

Ранее

Шина FireWire без ограничений на расстояние передачи данных

Начиная с 1995 г., шина FireWire получила широкое распространение для передачи аудио- и видеоданных на короткие расстояния – уже свыше 1 млрд. портов используют этот стандарт для передачи данных. Сейчас применяется в основном версия 1394b стандарта FireWire (известная как бета-версия), обеспечивающая передачу данных со скоростью до 3200 Мбит/сек. Именно она стала основным интерфейсом в современных инновационных приложениях с передачей данных на большие расстояния. После опубликования в 2008 г. «1394 Copper Automotive Specification», к шине FireWire значительно возрос интерес и в сфере мобильных систем. Статья представляет собой сокращенный вариант [1].

Создание периферийных устройств с поддержкой PCI Express на основе FPGA

Современные FPGA могут применяться во встраиваемых процессорах в качестве моста между стандартными линиями PCI Express и специализированными прикладными встраиваемыми устройствами ввода-вывода. Гибкость матриц FPGA и наличие предустановленных интерфейсов делают их универсальными компонентами для тонкой настройки связей в системе.

FSK-модемы для PLC-связи: стандарты, производители, компоненты

В статье дан обзор существующих спецификаций узкополосной PLC-технологии, а также рассмотрены их особенности. Кроме того, приведена информация о компонентах, предназначенных для создания PLC-модемов с использованием частотной модуляции. Этот вид модуляции обеспечивает скорость передачи данных 0,3…10 Кбит/с. В последние годы благодаря применению более эффективных видов модуляции сигнала, подтвердивших свою надежность в других проводных и беспроводных технологиях, удалось повысить скорость передачи до 128…576 Кбит/с.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

13 октября

Узкополосная PLC-технология: OFDM-модуляция

В статье представлен обзор существующих спецификаций узкополосной технологии передачи данных по электросетям, в которых используется модуляция с мультиплексированием и ортогональным частотным разделением каналов, что позволило поднять скорость передачи данных в зависимости от используемого диапазона частот до 128—576 Кбит/с.



Введение

В последние годы пристальный интерес и повышенное внимание обращено к PLC-технологии с использованием модуляции OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением), использование которой позволяет существенно увеличить пропускную способность канала связи [1—6].

OFDM

OFDM — метод передачи данных, при котором высокоскоростной поток данных разделяется на несколько относительно низкоскоростных потоков, каждый из которых передается на отдельной поднесущей с последующим объединением данных. Каждая из поднесущих модулируется независимо, например, с использованием модуляции вида BPSK (Binary Phase-Shift Keying — двухпозиционная фазовая манипуляция), QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying — квадратурная фазовая манипуляция) и их разновидностей или QAM (Quadrature Amplitude Modulation — квадратурная амплитудная модуляция). Таким образом формируется одновременная передача нескольких параллельных каналов. Одно из преимуществ OFDM заключается в том, что с изменением вида модуляции каждой из поднесущих появляется возможность адаптации к параметрам канала связи (т.е. при наличии помех скорость уменьшается, а при их отсутствии или снижении уровня, соответственно, увеличивается). Кроме того, некоторые из поднесущих можно отключать, если в этих частотных диапазонах имеются, к примеру, импульсные помехи. Возможности адаптации к параметрам канала и условиям передачи, заложенные в OFDM-методе, обеспечивают его высокую помехоустойчивость и надежность. Кроме того, если принимать во внимание и существенное увеличение скорости передачи в сравнении с методами FSK (Frequency Shift Keying), S-FSK (Spread Frequency Shift Keying) и DCSK (Differential Code Shift Keying), этот вид модуляции становится весьма привлекательным для его использования в узкополосной PLC-технологии. Не секрет, что современные автоматизированные системы управления/контроля со многими узлами ориентированы на работу в режиме реального времени. Структурная схема OFDM-передатчика во многом аналогична той, которая используется в широкополосной PLC-технологии.

Перечислив основные преимущества OFDM-модуляции, нельзя не отметить и ряд ее недостатков и особенностей применения именно в узкополосной PLC-технологии. В отличие от широкополосной технологии, в которой максимально возможное число поднесущих может составлять 1155 (HomePlug AV) или 1536 (UPA), в узкополосной нельзя сформировать такое большое число поднесущих. Самый существенный недостаток — большая стоимость оборудования по сравнению с другими известными и более простыми методами модуляции (FSK, S-FSK и DCSK). Еще один недостаток заключается в том, что OFDM-сигнал во временной области имеет неравномерную огибающую, что приводит к увеличению отношение пиковой мощности к ее среднему значению (Peak-to-Average Ratio, PAR) и, соответственно, требует расширения диапазона линейной передаточной характеристики выходного усилителя мощности примерно на 6…10 дБ [1]. Это в свою очередь, приводит к снижению КПД усилителя, увеличению рассеиваемой мощности, ужесточению требований к источнику питания, увеличению размеров и повышению стоимости кристалла. Кроме того, этот недостаток влечет за собой ужесточение требований к качеству трансформатора, используемому в устройстве согласования с силовой линией электропередачи. Сложность самого метода OFDM-модуляции обусловливает обязательное применение сигнальных процессоров для цифровой обработки сигнала (интерполяции, передискретизации, кодирования/декодирования и т.д.). Из-за ужесточения требований к линейности усложняется также реализация выходного ЦАП. Справедливости ради следует отметить, что некоторые из общих недостатков, присущих OFDM-методу, «исчезают» при использовании для PLC-связи сравнительно узкой полосы частот. Одна из существенных особенностей передачи сигнала в полосе 9…95 кГц (CENELEC A) заключается в том, что, в отличие от широкополосной PLC-технологии (2…30 МГц), использование значительно более узкого диапазона частот позволяет сформировать OFDM-сигнал с почти постоянной огибающей, что в некоторой степени снижает требования к линейности передаточной характеристики ЦАП и усилителя.

Многие из преимуществ OFDM-модуляции, что собственно и позволяет успешно применять ее в широкополосной PLC-технологии и других проводных и беспроводных технологиях, нивелируются в узкополосной. Главным образом, это связано с тем, что полоса частот CENELEC A отличается большим уровнем разного рода помех, а также изменением параметров линии связи с течением времени. Все эти особенности несколько преуменьшают преимущества использования OFDM-модуляции, по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, высокоскоростные методы модуляции поднесущих (например, QAM) требуют постоянства параметров канала связи и сравнительно высокого отношения сигнал/помеха. В противном случае существенно снижается реальная скорость передачи данных по сравнению с теоретически возможной. Во-вторых, большее число поднесущих обеспечивает и большую скорость передачи данных. Однако одним из преимуществ OFDM-модуляции является именно гибкость выбора количества поднесущих. При большом уровне помех в определенной полосе частот некоторые из поднесущих отключаются для адаптации к параметрам канала связи, а это, в свою очередь, приводит к следующему. Предположим, например, что в используемой полосе частот 30…80 кГц имеется 100 поднесущих с разносом по частоте 500 Гц (∆f). При использовании для модуляции поднесущих метода 8PSK (3 бита/символ) и длительности символа 2 мс теоретическая скорость передачи составляет 150 Кбит/с (игнорируя то, что некоторые из поднесущих используются для передачи контрольного пилот-сигнала). Если предположить, что помехи сосредоточены в полосе 30…40 кГц, число поднесущих придется уменьшить до 80, и, соответственно, скорость передачи данных снизится до 120 Кбит/с. При прямом кодировании с исправлением ошибок (FEC 1/2) скорость упадет до 60 Кбит/с. При модуляции DQPSK скорость снизится до 25 Кбит/с. С другой стороны, пропускную способность можно повысить, уменьшив разнос частот поднесущих до 400 Гц (тем самым увеличив число параллельных каналов). Однако это приведет к необходимости увеличения скорости вычислений и, соответственно, повышения производительности сигнального процессора, что, как следствие, увеличит стоимость системы. В реальных системах количество используемых поднесущих, как правило, фиксировано с учетом максимально возможного их числа.

Обычно в заголовке кадра данных содержатся атрибуты настройки с информацией о видах модуляции и о том, какие поднесущие будут использоваться. Для выбора же параметров OFDM-модуляции вначале оцениваются характеристики канала связи. Более того, не следует забывать, что на практике не исключается возможность того, что, например, в утренние часы помехи сосредоточены в полосе частот 30…50 кГц, а в вечерние — в полосе 70…80 кГц, что предопределяет необходимость отключения некоторых из поднесущих в этих диапазонах. Любые пакеты данных, которые не были приняты или верно декодированы на приемной стороне из-за неоптимально выбранного способа модуляции поднесущих для существующего на данном временном интервале уровня помех или искажений некоторых из поднесущих из-за наличия импульсных помех, подлежат повторной передаче, что, в конечном счете, существенно влияет на реальную пропускную способность канала. В этом случае возможны два варианта алгоритма настройки. Первый — выбирать наиболее помехоустойчивый вид модуляции или исключать из числа поднесущих те, которые с наибольшей вероятностью подвержены искажениям. Второй — производить непрерывный поиск наиболее оптимального варианта модуляции при существующих параметрах канала. Это было бы приемлемо в случае передачи больших объемов данных, например, в таких приложениях, как сети Wi-Fi, в которых после оптимальной настройки OFDM-передатчика осуществляется пересылка большого потока данных. Однако это едва ли приемлемо для автоматизированных систем класса AMM с небольшими объемами одновременно передаваемой информации. В каналах связи с большим уровнем помех для обеспечения высокой надежности передачи данных приходится мириться с соответствующим уменьшением реальной скорости передачи.

Спецификации PRIME

Альянс PRIME (Powerline Related Intelligent Metering Evolution) занимается разработкой открытых спецификаций для узкополосной PLC-технологии с пропускной способностью до 128 Кбит/с (www.prime-alliance.org). Предполагается, что такая скорость передачи обеспечит создание разветвленных интеллектуальных AMM-сетей, поскольку для полноценного обмена данными в автоматизированных системах требуется повышенная скорость, а использование модуляции видов BPSK, FSK, S-FSK и DCSK не позволяет ее реализовать. В предложенных в настоящее время PRIME-спецификациях регламентируется использование модуляции типа OFDM, что и позволяет увеличить скорость передачи до 128 Кбит/с в полосе частот 41,9…88,8 кГц (CENELEC A). Кроме того, в спецификациях описаны способы кодирования данных и определена теоретически достижимая пропускная способность в зависимости от вида модуляции поднесущих. Кроме спецификаций физического уровня (PHY) разработаны также спецификации MAC-уровня.

Одной их ключевых проблем при выборе характеристик OFDM-модуляции является определение рабочей полосы частот и, соответственно, числа поднесущих. В ходе реализации проекта PRIME и соответствующих испытаний экспериментальных систем были произведены тестовые измерения с использованием различных типов линий электропередачи в более чем 180 районах трех городов Испании. Тестовые измерения проводились в электросетях, имеющих разный срок эксплуатации, протяженность и топологию, а, кроме того, в них использовались разные типы кабеля. В результате измерений была собрана база данных для вариантов использования 13, 26, 48 и 96 поднесущих. Предполагалось, что стоимость систем при таком числе поднесущих будет изменяться незначительно. Как утверждается в [2], наиболее оптимальные параметры были получены при применении OFDM-модуляции с использованием 96 поднесущих. Результаты моделирования с большим числом поднесущих не подтвердили существенных преимуществ таких систем. Использование метода 16QAM для модуляции поднесущих также не дает существенного выигрыша в сравнении с методом 8PSK.

Параметры PRIME-OFDM (при предложенной в спецификации тактовой частоте 250 кГц) даны в таблицах 1, 2 [2]; уровень полезного сигнала 120 дБмкВ, что соответствует требованиям стандарта EN50065-1. Для контроля выходной мощности рекомендуется измерять спектральную мощность передатчика (Power Spectrum Density, PSD) с использованием эквивалента нагрузки сети.

Рис. 1. Структура кадра

Таблица 1. Основные параметры PRIME-спецификаций

Наименование

Значение

Частота поднесущих, Гц

начальной

41992,1875

конечной

88867,1875

Разнос поднесущих (∆f), Гц

488,28125

Число поднесущих

для передачи данных

96

для передачи пилот-сигнала

1

Число выборок на FFT-интервале

512

Длительность FFT-интервала, мкс

2048

Число выборок на интервале Cyclic Prefix

48

Длительность Cyclic Prefix, мкс

192

Число выборок на символьном интервале

560

Длительность OFDM-символа, мкс

2240

Длительность преамбулы, мкс

2048

Число поднесущих для передачи данных

в блоке
заголовка

84

в блоке данных

96

Число поднесущих пилот-сигнала

в блоке
заголовка

13

в блоке данных

1

Таблица 2. Скорости передачи данных при различных видах модуляции

Наименование

Вид модуляции

DBPSK

DQPSK

D8PSK

Сверточное кодирование (FEC)

вкл.

откл.

вкл.

откл.

вкл.

откл.

Число бит/поднесущую

0,5

1

1

2

1,5

3

Число бит/OFDM-символ

48

96

96

192

144

288

Скорость передачи, Кбит/с

21,4

42,9

42,9

85,7

64,3

128,6

Структура передаваемого кадра данных, формируемого на канальном уровне, приведена на рисунке 1. Каждый кадр данных начинается с фиксированной преамбулы. Это наиболее важный элемент в системе синхронизации. Для передачи преамбулы нежелательно использование OFDM-сигнала. Во-первых, чтобы обеспечить надежную синхронизацию, необходимо использовать сигнал с постоянной огибающей, что позволит увеличить его мощность. Во-вторых, сигнал синхронизации не должен существенно искажаться при изменении параметров линии (АЧХ, затухании и замирании сигнала), а также при наличии импульсных и узкополосных помех. Кроме того, он должен отличаться «удовлетворительными» параметрами автокорреляционной функции. В PRIME-спецификации в качестве сигнала синхронизации выбран сигнал с линейной частотной модуляцией (Chirp Linear), описываемый уравнением [2]:

S(t) = A ∙ rect() ∙ cos[2π(Fнt + mt2)],

где T = 2048 мкс, Fн = 41992 Гц (начальная частота), Fк = 88867 Гц (конечная частота), а m = .

Рис. 1. Структура кадра

Заголовок кадра данных содержит два OFDM-символа. В каждый из них включены 13 контрольных поднесущих (пилот-сигнала), чего достаточно для оценки возникающих ошибок. Для передачи кода заголовка используется 84 поднесущих, модулированных по методу DBPSK (84 бит/символ). При кодировании данных заголовка рекомендуется всегда использовать сверточное кодирование.

При передаче данных вид модуляции поднесущих (DBPSK, DQPSK или D8PSK) выбирается в соответствии с заданной интенсивностью битовых ошибок (Bit Error Rate, BER) и соотношением сигнал/помеха в канале связи. Выбор оптимального вида модуляции происходит на MAC-уровне. Для этого используется информация об ошибках, полученная из анализа данных последнего переданного кадра. Чтобы обеспечить наилучшее соотношение между пропускной способностью и эффективностью передачи данных при использовании конкретного канала связи, осуществляется динамическая перенастройка системы. Кроме выбора вида модуляции для улучшения эффективности передачи используется также возможность включения или отключения сверточного кодирования. При передаче блока данных для формирования OFDM-символа используются 97 поднесущих, одна из которых служит в качестве пилот-сигнала.

Спецификации EDF

Крупнейший французский государственный энергетический концерн Европы EdF (Electricite de France) представил свой вариант спецификаций узкополосной передачи данных с использованием электросети в качестве среды передачи [3]. В спецификациях PLC G3 Physical Layer Specification, которые являются составной частью общих спецификаций под названием Automated Meter Management (AMM) technical specification, приведено описание физического уровня (PHY) для систем с OFDM-модуляцией. Для передачи данных выбрана полоса частот 35,9…90,1 кГц (CENELEC A). Основные параметры спецификаций PLC G3 Physical Layer Specification (в дальнейшем PLC G3) даны в таблице 3. Для помехоустойчивого кодирования предпочтение отдано коду Рида-Соломона и сверточному коду. В спецификациях предусмотрены режимы работы со сниженной скоростью передачи, обеспечивающие лучшую помехоустойчивость. Скорость передачи зависит от используемого способа кодирования и вида модуляции, а также числа символов в кадре сообщения. В таблице 4 приведены значения максимальной скорости передачи данных в зависимости от параметров модуляции сигнала. Вполне очевидно, что использование большего числа поднесущих дает значительный выигрыш в скорости передачи данных по сравнению с FSK-методом, что наглядно проиллюстрировано на рисунке 2. Результаты сравнительных испытаний FSK- и OFDM-систем (PLC G3) даны в таблице 5 [4].

Таблица 3. Основные параметры спецификаций PLC G3 Physical Layer Specification

Наименование

Значение

Частота поднесущих, кГц

начальной

35,938

конечной

90,625

Разнос поднесущих (∆f), кГц

1,5625

Число поднесущих

36

Число выборок на FFT-интервале

256

Таблица 4. Скорости передачи данных при различных параметрах модуляции

Число символов

Скорость передачи, бит/с

DQPSK

DBPSK

12

13453

4620

20

20556

8562

32

27349

12332

40

30445

14049

52

33853

15941

56

34759

16444

112

20360

252

Таблица 5. Результаты сравнительных испытаний FSK- и OFDM-систем (PLC G3)

Вид модуляции

Время считывания массива данных объемом 3300 байт, с

S-FSK 1200

56

S-FSK 2400

28

OFDM

4

Рис. 2. Сравнительные характеристики FSK- и OFDM-систем

Несколько слов об истории зарождения спецификаций PLC G3. В декабре 2008 г. компания Maxim Integrated Products объявила о том, что выиграла тендер на разработку спецификаций узкополосной PLC-технологии и PLC-компонентов для дальнейшего использования компанией EdF. Компания Maxim Integrated Products в содружестве с французской компанией Sagem Communications должна была представить открытые PLC-спецификации для технологии узкополосной передачи данных по электросетям, которые предполагалось использовать в разворачиваемых во Франции автоматизированных системах типа AMR/AMI/AMM. В начале 2008 г. компания Maxim Integrated Products анонсировала микросхему PLC-модема MAX2990, в которой для передачи данных в полосе частот 10…490 кГц используется OFDM-модуляция.

Производители

Компоненты для узкополосной PLC-технологии с использованием OFDM-модуляции предлагаются несколькими производителями. Это компании Advanced Digital Design S.A. (www.addsemi.com), Freescale (www.freescale.com), iAd GmbH (www.iad-de.com), Maxim Integrated Products (www.maxim-ic.com) и STMicroelectronics (www.st.com).

Заключение

В заключение обзора существующих технологий узкополосной передачи данных по электросетям на рисунке 3 показан процесс эволюции видов модуляции, применяемых в этой технологии.

Рис. 3. Виды модуляции, используемые в узкополосной PLC-технологии

Следует отметить, что в сравнении с другими видами модуляции, используемыми в узкополосной PLC-технологии, системы, построенные на основе модуляции OFDM, имеют наибольшую сложность, а PLC-оборудование — высокую стоимость.

Крайне сложно реально оценить возможности существующих систем, созданных на базе разных видов модуляции. Весьма заманчиво ориентироваться на использование PLC-технологии с OFDM-модуляцией, особенно принимая во внимание анонсированную высокую скорость передачи данных. Однако при этом не следует забывать, что теоретически возможной высокой пропускной способности можно достичь только при сравнительно низком уровне помех и качественных параметрах канала связи. Кроме того, всегда следует учитывать, что скорость снижается при использовании помехоустойчивого кодирования.

Ни сама идея использования электропроводки в качестве физической среды передачи, ни OFDM-метод не относятся к разряду новых. Вместе с тем при реализации конкретной системы необходимо учитывать множество факторов. В первую очередь, при выборе метода модуляции необходимо определиться, достижима ли обещанная высокая скорость в реально проектируемой системе и приемлемы ли в таком случае затраты на ее изготовление и обслуживание. Оптимально спроектированная система должна иметь наилучшее соотношение стоимости, производительности и надежности.

Более полную информацию о PLC-технологии и существующих стандартах можно найти в [1—6].

Литература

1. Kevin Jones & Christos Aslanidis. DCSK Technology vs. OFDM Concepts for PLC Smart Metering. — Renesas, March 2009.

2. PRIME project. PRIME Technology Whitepaper: PHY, MAC and Convergence Layers. — PRIME, 2008//www.prime-alliance.org).

3. PLC G3 Physical Layer Specification. — ERDF//www.erdfdistribution.fr/fichiers/fckeditor/File/ERDF/2009/doc_linky/PLC%20G3%20Profile%20Specification.pdf).

4. By Michael Navid. Recent Advancements in Power Line Communications make it an Ideal Technology Platform for the Smart Grid. — Metering International, Issue 4, 2009.

5. State-of-the-art Technologies & Protocols.D2.1/part 4. — OPEN Meter, 2009 (www.openmeter.com).

6. Description of the state-of-the-art PLC-based access technology. D2.1/part 2. — OPEN Meter, 2009 (www. openmeter.com).



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Виктор Охрименко, техн. консультант, НПФ VD MAIS



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты