Устройства передачи информации по сети электропитания

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка к дипломной работе, 36 рис., 10 табл., 25 источников.

Объект работы - устройство передачи информации по сети электропитания. Передающая часть.

Цель проекта - разработка устройства передачи информации по сети электропитания для организации локальных компьютерных сетей. Разработка передающей части устройства.

В результате проведения дипломной работы была проведена разработка физического уровня передающей части устройства передачи информации по сети электропитания. Проведен анализ и выбор способов кодирования и модуляции. Разработан алгоритм работы передающей части устройства. Произведен выбор элементной базы.

СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ, СПЕКТР, DSP-КОНТРОЛЛЕР, УСТРОЙСТВО ПРИСОЕДИНЕНИЯ, ТРЕЛЛИС-КОДИРОВАНИЕ, МОДУЛЯЦИЯ, СКОРОСТЬ ПЕРЕДАЧИ, ИНФОРМАЦИОННАЯ СКОРОСТЬ, ВРЕДНЫЕ И ОПАСНЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ФАКТОРЫ, КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТЬ.

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ УСТРОЙСТВ

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

3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

4. АНАЛИЗ МЕТОДОВ КОДИРОВАНИЯ

4.1 Линейные методы кодирования

4.2 Сверточные коды

5. ОБЗОР ВИДОВ МОДУЛЯЦИИ

6. ОПИСАНИЕ ВНЕШНЕГО ИНТЕРФЕЙСА

6.1 Расчет полосовых фильтров

6.2 Описание адаптивного эквалайзера

6.3 Описание эхокомпенсатора

6.4 Описание устройства присоединения

7. ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА РАБОТЫ ПЕРЕДАЮЩЕЙ ЧАСТИ УСТРОЙСТВА. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

8. ОХРАНА ТРУДА

8.1 Анализ условий труда

8.1.1 Декомпозиция системы «человек - машина - среда»

8.2 Анализ вредных факторов

8.3 Техника безопасности

8.4 Производственная санитария и гигиена труда

8.5 Пожарная профилактика

9. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

9.1 Характеристика изделия

9.2 Исследование и анализ рынков сбыта

9.2.1 Параметрическая сегментация рынка

9.3 Затраты на разработку устройства

9.4 Расчет договорной цены изделия

9.5 Анализ безубыточности производства устройства

9.6 Расчет ожидаемой прибыли

9.7 Оценка конкурентоспособности устройства

9.7.1 Анализ конкурентоспособности приемной части устройства по техническим параметрам

9.7.2 Расчет интегрального показателя конкурентоспособности

ВЫВОДЫ

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

BPSK (Binary Phase Shift Keying) - двоичная фазовая манипуляция;

DSP (Digital Signal Processor) - сигнальный цифровой процессор;

DPSK (Differential Phase Shift Keying) - относительная фазовая модуляция;

FQPSK (Feher Quadrature Phase Shift Keying) - запатентованная Феером квадратурная фазовая манипуляция;

FSK (Frequency Shift Keying) - частотная модуляция;

FBPSK ((Feher Binary Phase Shift Keying) - запатентованная Феером двоичная фазовая манипуляция;

GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) - запатентованная гауссовская модуляция с минимальным частотным сдвигом;

IRQ - шина прерываний;

MSK - модуляция с минимальным частотным сдвигом;

NRZ (Nonreturn to Zero) - код без возврата к нулю;

O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) - 4-позиционная модуляция со сдвигом;

QAM (Quadrature Amplitude Modulation) - квадратурная амплитудная модуляция;

QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) - квадратурная фазовая манипуляция;

RZ (Return to Zero) - код с возвратом к нулю;

SC (Signal Coustellation) - сигнальное созвездие;

TCM - Модуляция с решетчатым кодированием;

АБГШ - аддитивный белый гауссовский шум;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ДС - дифференциальная система;

ЛС - линия связи;

МП - микропроцессор;

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство;

ОУ - операционный усилитель;

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;

ПК - персональный компьютер;

ППЗУ - перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство;

ПУ - периферийное устройство;

ПФ - полосовой фильтр;

СКК - сигнально-кодовая конструкция;

УП - устройство присоединения;

ФВЧ - фильтр верхних частот;

ФНЧ - фильтр нижних частот

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;

ША - шина адреса;

ШД - шина данных.

ВВЕДЕНИЕ

Компьютерные сети прочно закрепились во многих отраслях деятельности человека. Поэтому многие производители компьютерной техники, наряду с выпуском компьютеров и периферийных устройств, наладили выпуск сетевого оборудования и программного обеспечения. При этом для объединения в сеть нескольких компьютеров и периферийных устройств, они используют различные технические решения. Однако основные принципы обмена информацией между компьютерами или компьютерами и периферийными устройствами остаются везде неизменными. Во всех существующих 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.

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.

Одним из возможных вариантов организации временных компьютерных сетей является система передачи данных по энергосетям, физический уровень передающей части которой разрабатывается в данной дипломной работе.

В дипломной работе будет разработана передающая часть устройства передачи данных по энергосетям.

Раздел "Охрана труда" выполняется с целью создания безопасных условий труда при работе с компьютерной техникой, в частности с разрабатываемым устройством.

В экономической части диплома будет произведен расчет себестоимости проектируемого устройства и анализ конкурентоспособности.

1. ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ УСТРОЙСТВ

В настоящее время компьютерные технологии и в частности компьютерная связь стали неотъемлемой частью производственного процесса и жизнедеятельности человека. Многие производители компьютерной техники, наряду с выпуском компьютеров и периферийных устройств, наладили выпуск сетевого оборудования и программного обеспечения. При этом, для объединения в сеть нескольких компьютеров и периферийных устройств, они используют различные технические решения. Однако основные принципы обмена информацией между компьютерами или компьютерами и периферийными устройствами остаются везде неизменными.

Для обмена данными между компьютером и периферийным устройством (ПУ) в компьютере предусмотрен внешний интерфейс, то есть соединения между компьютером и периферийным устройством, а так же набор правил обмена информацией. Интерфейс реализуется со стороны компьютера совокупностью аппаратных и программных средств: контроллером ПУ и специальной программой, управляющей этим контроллером - драйвером ПУ. Периферийное устройство использует внешний интерфейс компьютера не только для приема информации, но и для передачи информации в компьютер, то есть обмен данными по внешнему интерфейсу, как правило, является двунаправленным. Программа, выполняемая процессором, может обмениваться данными с помощью команд ввода/вывода с любыми модулями, подключенными к внутренней шине компьютера, в том числе с контроллерами ПУ. Контроллеры ПУ принимают команды и данные от процессора в свой внутренний буфер (регистр или порт), затем выполняют необходимые преобразования этих данных и команд в соответствии с форматами, понятными периферийному устройству, и выдают их на внешний интерфейс.

Ethernet - самая распространенная на сегодняшний день технология локальных сетей. В широком смысле Ethernet - это целое семейство технологий, включающее различные форменные и стандартные варианты. Почти все виды технологий Ethernet используют один и тот же метод разделения среды передачи данных - метод случайного доступа CDMA/CD, который определяет облик технологии в целом. Важным явлением в сетях Ethernet является коллизия - ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Наличие коллизий - это неотъемлемое свойство сетей Ethernet, являющееся следствием принятого случайного метода доступа. Возможность четкого распознавания коллизий обусловлена правильным выбором параметров сети, в частности соблюдением соотношения между минимальной длиной кадра и максимально возможным диаметром сети. На характеристики производительности сети большое значение оказывает коэффициент использования сети, который отражает загруженность сети. При значениях этого коэффициента свыше 50% полезная пропускная способность резко падает: из-за роста интенсивности коллизий, а так же увеличения времени ожидания доступа к среде. Максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet в кадрах в секунду достигается при передаче кадров минимальной длины и составляет 14880 кадр/с. При этом полезная пропускная способность сети составляет всего 5,48 Мбит/с, что лишь немного более половины от номинальной пропускной способности - 10 Мбит/с. Технология Ethernet поддерживает 4 разных типа кадров, которые имеют общий формат адресов узлов. Существуют формальные признаки, по которым сетевые адаптеры автоматически распознают тип кадра. В зависимости от типа физической среды существуют различные спецификации: 10Base-5, 10Base-2, 10Base-Т, FOIRL, 10Base-FL, 10Base-FB. Для каждой спецификации определяются тип кабеля, максимальные длины непрерывных отрезков кабеля, а так же правила использования повторителей для увеличения диаметра сети: правило «5-4-3» для коаксиальных вариантов сети, и правило «четырех хабов» для витой пары и оптоволокна.

Технология Token Ring развивается в основном компанией IBM. В сетях Token Ring используется маркерный метод доступа, который гарантирует каждой станции получение доступа к разделяемому кольцу в течение оборота маркера. Метод доступа основан на приоритетах: от 0 до 7. Станция сама определяет приоритет текущего кадра и может захватить кольцо только в том случае, когда в кольце нет более приоритетных кадров. Сети Token Ring работают на двух скоростях 4 и 16 Мбит/с и могут использовать в качестве физической среды экранированную витую пару, неэкранированную витую пару, а так же оптоволокно. Максимальное количество станций в кольце - 260, а максимальная длина кольца - 4 км. Технология Token Ring обладает элементами отказоустойчивости. За счет обратной связи кольца одна из станций - активный монитор - непрерывно контролирует наличие маркера, а так же время оборота маркера и кадров данных. При некорректной работе кольца запускается процедура его повторной инициализации, а если она не помогает, то для локализации неисправного участка кабеля или неисправной станции используется процедура beaconing. В сети Token Ring станции в кольцо объединяют с помощью концентраторов (MSAU). Пассивный концентратор выполняет роль кроссовой панели, которая соединяет выход предыдущей станции в кольце со входом последующей. Максимальное расстояние от станций до MSAU - 100 м для STP и 45 м для UTP. Активный монитор выполняет в кольце так же роль повторителя - он ресинхронизирует сигналы, проходящие по кольцу. Кольцо может быть построено на основе активного концентратора MSAU, который в этом случае называется повторителем. Сеть Token Ring может строиться на основе нескольких колец, разделенных мостами, маршрутизирующими кадры по принципу «от источника», для чего в кадр Token Ring добавляется специальное поле с маршрутом прохождения колец [1].

В основе построения беспроводных локальных вычислительных сетей лежит технология Ethernet. На физическом уровне для беспроводных локальных сетей определены четыре различные способа передачи данных: инфракрасное излучение, лазеры, радиопередачи в узком спектре (одночастотные передачи) и радиопередачи в рассеянном спектре. Последние два способа имеют общее название - радиопередача в размытом спектре. При этом используются частоты в диапазоне 2.4 - 2.4835 ГГц. Этот диапазон является безлицензионным. Технология обеспечивает возможность передачи со скоростью 1 - 16 Мбит/с. Суть радиопередачи в узком спектре заключается в модуляции исходных данных при помощи широкополосного сигнала. Приемнику известен модулирующий сигнал, поэтому он может восстановить исходный сигнал. Первоначально многие выпускаемые продукты были рассчитаны на работу в диапазоне от 902 - 928 МГц. В настоящее время используется диапазон на частоте 3.4 ГГц. Таким образом, данный способ напоминает вещание радиостанции, при котором прямая видимость не обязательна. Площадь вещания при этом способе составляет до 46500 м2. Сигнал высокой частоты, который используется, не проникает через металлические или железобетонные преграды. При радиопередаче в рассеянном спектре сигналы передаются в некоторой полосе частот, что позволяет избежать некоторых проблем связи, которые присущи одночастотной передаче. В данном способе предусмотрена передача коротких серий данных на одной частоте, затем на другой и т. д. Поскольку каждый пользователь работает со своей уникальной последовательностью частот, в одном диапазоне работает несколько пользователей одновременно. Благодаря этому в этом способе более рационально используется доступный диапазон частот. Последовательность скачков должна иметь не менее 75 различных частот, при этом длительность передачи на конкретной частоте должна длиться не более 400 мкс. При наличии помех, на какой либо частоте передача повторяется на следующей частоте. Скорость передачи при использовании радиопередачи в рассеянном спектре 250 кбит/с - 2 Мбит/с. Если скорость передачи 2 Мбит/с, то дальность передачи достигает 3,2 км. Все инфракрасные беспроводные сети используют для передачи данных инфракрасные лучи. В подобных системах необходимо генерировать очень сильный сигнал, так как в противном случае значительное влияние будет оказывать отражение поверхностей. Этот способ позволяет передавать сигналы с большой скоростью, поскольку инфракрасный свет имеет широкий диапазон частот. Инфракрасные сети способны нормально функционировать на скорости 10 Мбит/с. Лазерная технология требует прямой видимости между передатчиком и приемником. Если каким либо причинам луч будет прерван, то это прервет и саму передачу.

При передаче данных по телефонным сетям, используется устройство называемое модем. Основная функция модема -- преобразование несущего гармонического колебания (одного или нескольких его параметров) в соответствии с законом изменения передаваемой информационной последовательности. Благодаря использованию модемов, удалось достигнуть скоростей передачи данных - 14400, 28800 бит/с. При этом используются различные протоколы модуляции (V.32bis, V.34) и протоколы уплотнения [2].

В 1996 году альянсом фирм 3Com, Agere System, AMD, AT&T Wireless Services, Hewlett-Packard, Intel, Motorola и др. был разработан стандарт HomePNA. При разработке данной сетевой технологии ставились задачи: достижение максимально возможной скорости передачи на относительно небольшом расстоянии по уже существующей телефонной проводке; при этом должна обеспечиваться максимальная совместимость с уже существующими аналогами; обеспечение широкополосного доступа к Internet и передача медиа информации. В итоге технология HomePNA основывается на протоколе Ethernet и следовательно, при разрешении конфликтов между устройствами использует алгоритм CSMA/CD. Поскольку в телефонных линиях уже использовались частотные диапазоны голосовой связи (3.5 кГц) и модемной связи xDSL (1.1 МГц), в качестве рабочего диапазона был выбран диапазон от 4 до10 МГц. На физическом уровне HomePNA используется квадратурная амплитудная модуляция QAM. Это позволило обеспечить базовую пропускную способность до 10 Мбит/с, а максимальную - до 32 Мбит/с. Так же в HomePNA применяется дублирование потоков данных на разных частотах. Эта методика называется FDQAM. Избыточно широкий диапазон 6 МГц поделен на три полосы по 2 МГц, в каждой из которых транслируется копия информационного потока. Таким образом, даже если на какой-то частоте возникает мощный источник помех, то приемник по-прежнему в состоянии считывать сигнал на другой частотной полосе. Использование в реальных условиях HomePNA сталкивается с некоторыми трудностями. Так, например, подключение в телефонную сеть хотя бы одного телефона ведет к уменьшению скорости передачи на 7-12%. При создании большой сети HomePNA (более 10 абонентов), путем соединения их в общую шину, необходимо использовать HomePNA-коммутатор, что ведет к увеличению стоимости сети. Иначе будет наблюдаться снижение скорости обмена до 2 кбит/с, причем количество потерянных пакетов достигает 19 из 75. Так же на пути внедрения сетей HomePNA в использование лежат не только технические проблемы, но так же и юридические. Законодательством предусмотрена ответственность за несанкционированное подключение к телефонным линиям либо подключение устройств, не сертифицированных в Украине [3].

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.

Таким образом, общая структурная схема системы передачи данных по энергосети имеет следующий вид (рис. 3.2), где, УП - устройство присоединения, ША - шина адреса, ШД - шина данных.



Рисунок 3.2 - Структурная схема системы передачи информации по энергосетям

Исходя из этой схемы, можно привести структурную схему передатчика (рис. 3.3).

Функционирование МП осуществляется по алгоритму, записанному в ПЗУ и ППЗУ. Данные, которые анализируются микропроцессором, заносятся в ОЗУ. После выполнения всех необходимых операций над данными, происходит очистка ОЗУ, для того чтобы принять другие данные. Принцип работы кодера зависит от способа кодирования, который выбирается из условия получения минимальной вероятности ошибки и максимальной помехозащищенности. Модуляция должна обеспечивать перенос спектра полезного сигнала в область частот, где он будет меньше всего подвержен воздействию помех. Так же от способа модуляции зависит скорость передачи данных и максимальная помехоустойчивость. Поэтому от выбора вида модуляции зависят основные параметры системы передачи данных в целом.



Рисунок 3.3 - Структурная схема передатчика

Поскольку передача данных осуществляется в четырех частотных диапазонах, которые расположены довольно близко друг от друга, то появляется необходимость ограничения спектров передаваемых сигналов в рамках частотного диапазона. Ограничение производится для того, чтобы сигналы, передаваемые в одном диапазоне, не влияли на сигналы, которые передаются в другом частотном диапазоне. Для ограничения спектров используются полосовые фильтры, настроенные каждый на свою резонансную частоту.

Управление процессами, происходящими в микропроцессоре и DSP-контроллере, происходит с помощью драйверов, которые поставляются вместе с микропроцессором и DSP-контроллером от фирмы-производителя.

4. АНАЛИЗ МЕТОДОВ КОДИРОВАНИЯ

4.1 Линейные методы кодирования

Данные пользователя, поступающие от DTE, уже являются цифровыми, представленными в униполярном или биполярном коде без возврата к нулю -- NRZ. При передаче данных на большие расстояния в коде NRZ возникают следующие проблемы. С течением времени нарастает постоянный ток, блокируемый некоторыми электрическими устройствами цифрового тракта, например, трансформаторами, что приводит к искажению передаваемых импульсов. Передача длинных серий нулей или единиц приводит к нарушению правильной работы устройств синхронизации. Отсутствует возможность контроля возникающих ошибок на уровне физического канала.

Перечисленные проблемы решаются при помощи линейного кодирования. Параметры получаемого линейного сигнала должны быть согласованы с характеристикой, используемой линии, и отвечать ряду следующих требований. Энергетический спектр линейного сигнала должен быть как можно уже. В нем должна отсутствовать постоянная составляющая, что позволяет повысить верность либо дальность передачи. Структура линейного сигнала должна обеспечивать возможность выделения тактовой частоты на приемной стороне. Необходимо обеспечить возможность постоянного контроля за ошибками на уровне физической линии. Линейный код должен иметь достаточно простую техническую реализацию. Примеры линейных кодов приведены на рис. 4.1 [2].

Формирование требуемого энергетического спектра может быть осуществлено соответствующим изменением структуры импульсной последовательности и выбором нужной формы импульсов



Рисунок 4.1 - Примеры кодирования линейными кодами

Например, даже сокращение длительности импульсов в два раза (биимпульсный код с возвратом к нулю, RZ) вдвое уменьшает уровень постоянной составляющей и увеличивает уровень тактовой составляющей в спектре такого сигнала.

Код Манчестер характеризуется однозначным соответствием последовательности чередования импульсов внутри тактового интервала. А именно, "1" исходного цифрового сигнала передается нулевым импульс в первом полутактовом интервале и единичным -- во втором. Для символа "О" принимается обратный порядок чередования импульсов (биимпульс 10).

Относительное кодирование позволяет решить проблему неопределенности фазы биимпульса на приемной стороне.

4.2 Сверточные коды

Сверточный код создается прохождением передаваемой информационной последовательности через линейный сдвиговый регистр с конечным числом состояний. В общем виде, регистр сдвига состоит из К (k-битовых) ячеек и линейного преобразователя, состоящего из n функциональных генераторов и выполняющего алгебраические функции. Входные данные к кодеру, которые считаются двоичными, поступают вдоль регистра сдвига по k бит за раз. Число входных бит для каждой k-битовой последовательности равно n. Следовательно, кодовая скорость, определенная как RC=k/n, согласуется с определением скорости блокового кода [18]. Параметр К называется кодовым ограничением сверточного кода. Для пояснения принципа работы кодера рассмотрим сверточный кодер со скоростью кода 1/3, показанный на рис.4.2.

Считается, что первоначально все ячейки регистра сдвига находятся в нулевом состоянии. Допустим, что первый входной бит «1». Он без задержек появляется на выходе первой ячейки регистра и, соответственно, на всех трех входах выходного ключа (мультиплексора). Ключ поочередно выдает содержимое входов, и в результате выходная последовательность из трех бит будет - 111. Допустим, что второй входной бит «0». Он записывается в первую ячейку регистра, вытесняя предыдущий бит («1»), во вторую ячейку - и на входах мультиплексора появляются 001. Если третий входной бит 1, выходная последовательность 100 и т. д. Таким образом, в ответ на каждый входной бит (k=1) сверточный кодер откликается тремя битами, по числу функциональных генераторов (n=3).



Рисунок 4.2 - Сверточный кодер со скоростью кода 1/3

Имеются три альтернативных метода описания сверточного кода: древовидная диаграмма, решетчатая диаграмма и диаграмма состояний. Для приведенного выше кодера древовидная диаграмма показана на рис. 4.3.

Предположим, что кодер находится в нулевом состоянии (все нули). Диаграмма показывает, что, если первый вход 0 - выходная последовательность 000, а если первый вход 1 - выходная последовательность 111. Если в следующий момент первый вход 1, а второй 0, то второй набор выходных бит 001. Далее, если третий входной бит 0, то выходная последовательность 011, если же третий входной бит 1, то на выходе - 100.

Аналогичным способом можно описать более сложный код со скоростью 2/3, а так же недвоичные коды (если число символов в алфавите q2k, k>1)



Рисунок 4.3 - Древовидная диаграмма для кода со скоростью 1/3

Сверточные коды относятся к помехоустойчивым кодам, поэтому они часто используются после относительных кодов, которые являются накопителями ошибок, а так же сверточное кодирование используется в системах с модуляцией, обладающей низкой помехоустойчивостью. Так, применение многопозиционной QAM в чистом виде сопряжено с проблемой недостаточной помехоустойчивости. Поэтому во всех современных высокоскоростных протоколах QAM используется совместно с решетчатым кодированием -- специальным видом сверточного кодирования. В результате появился новый способ модуляции, называемый треллис-модуляцией (ТСМ). Выбранная определенным образом комбинация конкретной QAM помехоустойчивого кода в отечественной технической литературе носит название сигналъно-кодовой конструкции (СКК). СКК позволяют повысить помехозащищенность передачи информации наряду со снижением требований к отношению сигнал/шум в канале на 3--6 дБ. При этом число сигнальных точек увеличивается вдвое за счет добавления к информационным битам одного избыточного, образованного путем сверточного кодирования. Расширенный таким образом блок битов подвергается все той же QAM. В процессе демодуляции производится декодирование принятого сигнала по алгоритму Витерби [11]. Именно этот алгоритм за счет использования введенной избыточности и знания предыстории процесса приема позволяет по критерию максимального правдоподобия выбрать из сигнального пространства наиболее достоверную эталонную точку.

Выбор способов модуляции и кодирования сводится к поиску такого заполнения сигнального пространства, при котором обеспечивается высокая скорость и высокая помехоустойчивость. Комбинирование различных ансамблей многопозиционных сигналов и помехоустойчивых кодов порождает множество вариантов сигнальных конструкций. Согласованные определенным образом варианты, обеспечивающие улучшение энергетической и частотной эффективности, и являются сигнально-кодовыми конструкциями. Задача поиска наилучшей СКК является одной из наиболее сложных задач теории связи. Современные высокоскоростные протоколы модуляции (V.32, V.32bis, V.34 и др.) предполагают обязательное применение сигнально-кодовых конструкций.

Все применяемые сегодня СКК используют сверточное кодирование со скоростью n--1/n, т.е. при передаче одного сигнального элемента используется только один избыточный двоичный символ [2].

Таким образом, в системах с нестабильной помеховой обстановкой для обеспечения высокой помехоустойчивости целесообразно использовать сочетание относительного кодирования и сверточного кодирования, а в случаях применения QAM - треллис-модуляции.

5. ОБЗОР ВИДОВ МОДУЛЯЦИИ

Преобразование несущего гармонического колебания (одного или нескольких его параметров) в соответствии с законом изменения передаваемой информационной последовательности называется модуляцией. При передаче цифровых сигналов в аналоговом виде оперируют понятием - манипуляция.

Способ модуляции играет основную роль в достижении максимально возможной скорости передачи информации при заданной вероятности ошибочного приема. Предельные возможности системы передачи можно оценить с помощью известной формулы Шеннона, определяющей зависимость пропускной способности С непрерывного канала с белым гауссовским шумом от используемой полосы частот F и отношения мощностей сигнала и шума Pс/Pш .

, (5.1)

где PС -- средняя мощность сигнала;

PШ -- средняя мощность шума в полосе частот.

Пропускная способность определяется как верхняя граница реальной скорости передачи информации V. Приведенное выше выражение позволяет найти максимальное значение скорости передачи, которое может быть достигнуто в гауссовском канале с заданными значениями: ширины частотного диапазона, в котором осуществляется передача (F) и отношения сигнал - шум (PС/РШ).

Вероятность ошибочного приема бита в конкретной системе передачи определяется отношением PС/РШ. Из формулы Шеннона следует, что возрастание удельной скорости передачи V/F требует увеличения энергетических затрат (РС) на один бит. Зависимость удельной скорости передачи от отношения сигнал/шум показана на рис. 5.1.

Рисунок 5.1 - Зависимость удельной скорости передачи от отношения сигнал/шум

Любая система передачи может быть описана точкой, лежащей ниже приведенной на рисунке кривой (область В). Эту кривую часто называют границей или пределом Шеннона. Для любой точки в области В можно создать такую систему связи, вероятность ошибочного приема у которой может быть настолько малой, насколько это требуется [2].

Современные системы передачи данных требуют, чтобы вероятность необнаруженной ошибки была не выше величины 10-4…10-7 [11].

В современной цифровой технике связи наиболее распространенными являются частотная модуляция (FSK), относительная фазовая модуляция (DPSK), квадратурная фазовая модуляция (QPSK), фазовая модуляция со сдвигом (смещением), обозначаемая как O-QPSK или SQPSK, квадратурная амплитудная модуляция (QAM).

При частотной модуляции значениям «0» и «1» информационной последовательности соответствуют определенные частоты аналогового сигнала при неизменной амплитуде. Частотная модуляция весьма помехоустойчива, однако при частотной модуляции неэкономно расходуется ресурс полосы частот канала связи. Поэтому этот вид модуляции применяется в низкоскоростных протоколах, позволяющих осуществлять связь по каналам с низким отношением сигнал/шум.

При относительной фазовой модуляции в зависимости от значения информационного элемента изменяется только фаза сигнала при неизменной амплитуде и частоте. Причем каждому информационному биту ставится в соответствие не абсолютное значение фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения.

Чаще применяется четырехфазная DPSK, или двукратная DPSK, основанная на передаче четырех сигналов, каждый из которых несет информацию о двух битах (дибите) исходной двоичной последовательности. Обычно используется два набора фаз: в зависимости от значения дибита (00, 01, 10 или 11) фаза сигнала может измениться на 0°, 90°, 180°, 270° или 45°, 135°, 225°, 315° соответственно. При этом, если число кодируемых бит более трех (8 позиций поворота фазы), резко снижается помехоустойчивость DPSK. По этой причине для высокоскоростной передачи данных DPSK не используется.

Модемы с 4-позиционной или квадратурной фазовой модуляцией используются в системах, в которых теоретическая спектральная эффективность устройств передачи BPSK (1 бит/(с·Гц)) недостаточна при имеющейся в наличии полосе частот. Различные методы демодуляции, используемые в системах BPSK, применяются также и в системах QPSK. Кроме прямого распространения методов двоичной модуляции на случай QPSK используется также 4-позиционная модуляция со сдвигом (смещением). Некоторые разновидности QPSK и BPSK приведены в табл. 5.1 [8].

При квадратурной амплитудной модуляции изменяется как фаза, так и амплитуда сигнала, что позволяет увеличить количество кодируемых бит и при этом существенно повысить помехоустойчивость. В настоящее время используются способы модуляции, в которых число кодируемых на одном бодовом интервале информационных бит, может достигать 8…9, а число позиций сигнала в сигнальном пространстве - 256…512.

Таблица 5.1 - Разновидности QPSK и BPSK

Двоичная PSK	Четырехпозиционная PSK	Краткое описание
BPSK	QPSK	Обычные когерентные BPSK и QPSK
DEBPSK	DEQPSK	Обычные когерентные BPSK и QPSK с относительным кодированием и СВН
DBSK	DQPSK	QPSK с автокорреляционной демодуляцией (нет СВН)
FBPSK	FQPSK O-QPSK DEOQPSK FOQPSK р/4-DEQPSK	BPSK или QPSK С запатентованным процессором Феера, пригодным для систем с нелинейным усилением QPSK со сдвигом (смещением) QPSK со сдвигом и относительным кодированием QPSK со сдвигом и запатентованным Феером процессорами QPSK с относительным кодированием и фазовым сдвигом на р/4

Квадратурное представление сигналов является удобным и достаточно универсальным средством их описания. Квадратурное представление заключается в выражении колебания линейной комбинацией двух ортогональных составляющих -- синусоидальной и косинусоидальной:

S(t)=x(t)sin(t+())+y(t)cos(t+()), (5.2)

где x(t) и y(t) -- биполярные дискретные величины.

Такая дискретная модуляция (манипуляция) осуществляется по двум каналам на несущих, сдвинутых на 90° друг относительно друга, т.е. находящихся в квадратуре (отсюда и название представления и метода формирования сигналов).

Поясним работу квадратурной схемы (рис. 5.2) на примере формирования сигналов QPSK.



Рисунок 5.2 - Схема квадратурного модулятора

Исходная последовательность двоичных символов длительностью Т при помощи регистра сдвига разделяется на нечетные импульсы Y, которые подаются в квадратурный канал (cost), и четные -- X, поступающие в синфазный канал (sint). Обе последовательности импульсов поступают на входы соответствующих формирователей манипулирующих импульсов, на выходах которых образуются последовательности биполярных импульсов x(t) и y(t).

Манипулирующие импульсы имеют амплитуду и длительность 2T. Импульсы x(t) и y(t) поступают на входы канальных перемножителей, на выходах которых формируются двухфазные фазомодулированные колебания. После суммирования они образуют сигнал QPSK.

Для приведенного выше выражения для описания сигнала характерна взаимная независимость многоуровневых манипулирующих импульсов x(t), y(t) в каналах, т.е. единичному уровню в одном канале может соответствовать единичный или нулевой уровень в другом канале. В результате выходной сигнал квадратурной схемы изменяется не только по фазе, но и по амплитуде. Поскольку в каждом канале осуществляется амплитудная манипуляция, этот вид модуляции называют амплитудной квадратурной модуляцией.

Пользуясь геометрической трактовкой, каждый сигнал QAM можно изобразить вектором в сигнальном пространстве.

Отмечая только концы векторов, для сигналов QAM получаем изображение в виде сигнальной точки, координаты которой определяются значениями x(t) и y(t). Совокупность сигнальных точек образует так называемое сигнальное созвездие.

На рис. 5.3 показана структурная схема модулятора, а на рис. 5.4 - сигнальное созвездие для случая, когда x(t) и y(t) принимают значения ±1, ±3 (QAM-4).

Рисунок 5.4 - Сигнальная диаграмма QAM-4

Величины ±1, ±3 определяют уровни модуляции и имеют относительный характер. Созвездие содержит 16 сигнальных точек, каждая из которых соответствует четырем передаваемым информационным битам.

Комбинация уровней ±1, ±3, ±5 может сформировать созвездие из 36 сигнальных точек. Однако из них в протоколах ITU-T используется только 16 равномерно распределенных в сигнальном пространстве точек.

Существует несколько способов практической реализации QAM-4, наиболее распространенным из которых является так называемый способ модуляции наложением (SPM). В схеме, реализующей данный способ, используются два одинаковых QPSK (рис. 5.5).

Используя эту же методику получения QAM, можно получить схему практической реализации QAM-32 (рис.5.6).

Рисунок 5.5 - Схема модулятора QAM-16

Рисунок 5.6 - Схема модулятора QAM-32

Получение QAM-64, QAM-128 и QAM-256 происходит таким же образом. Схемы получения этих модуляций не приводятся по причине их громоздкости.

Из теории связи известно, что при равном числе точек в сигнальном созвездии спектр помехоустойчивость систем QAM и QPSK различна. При большом числе точек сигналов спектр QAM идентичен спектру сигналов QPSK. Однако сигналы системы QAM имеют лучшие характеристики, чем системы QPSK. Основная причина этого состоит в том, что расстояние между сигнальными точками в системе QPSK меньше расстояния между сигнальными точками в системе QAM.

На рис. 5.7 представлены сигнальные созвездия систем QAM-16 и QPSK-16 при одинаковой мощности сигнала. Расстояние d между соседними точками сигнального созвездия в системе QAM с L уровнями модуляции определяется выражением:

(5.3)

Аналогично для QPSK: