WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Киреев Константин Александрович

Разработка и реализация алгоритмов обработки сигналов для устройств передачи данных

по силовой электрической сети

Специальность 05.12.04.

Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва2007

Работа выполнена на кафедре радиоприемных устройств Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ГРЕБЕНКО Юрий Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Куликов Геннадий Валентинович

доктор технических наук, профессор

КАРТАШЕВ Владимир Герасимович

Ведущая организация: ЗАО «Центр специальных разработок МНИИРС»

г. Москва

Защита состоится 22 ноября 2007 г. в 17.00 на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д 17, аудитория А 402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан «____» октября 2007г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.05.

кандидат технических наук, доцент Т.И. КУРОЧКИНА

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена разработке и реализации алгоритмов обработки коммуникационного сигнала для устройств передачи данных по силовой электрической сети. Силовая электрическая сеть представляет собой универсальную проводную систему, имеющуюся в каждом служебном и жилом помещении. Именно ее повсеместное распространение делает электрическую сеть привлекательной средой для передачи информации, поскольку не требуется прокладки дополнительных проводных коммуникаций.

Использование электрической сети для передачи управляющей и телеметрической информации имеет длительную историю. Первый патент на использование передачи данных по электрической сети для удаленного контроля потребления электроэнергии предложен еще в 1838 году в Великобритании. В 1905г. первый аналогичный патент зарегистрирован в США, а в 1913 появился первый коммерческий продукт на базе этой технологии. Первый коммерчески успешный проект под названием X-10 появился на рынке в 70-х годах двадцатого столетия.

Свойства электрической сети как коммуникационной среды были хорошо изучены. Например, широко известны труды исследователей Малака и Энгстрома, О’Нила, Винеса, Труссела, Достерта, Циммермана. В них были раскрыты частотные и шумовые свойства электрической сети, и эффекты, затрудняющие передачу коммуникационного сигнала. Известны работы российских ученых, например, А.И. Кочеткова. На основе данных исследований целый ряд крупных компаний-производителей элементной базы, таких как Philips, National Semiconductor, Echelon, Intellon разработали и наладили серийный выпуск электронных компонентов, предназначенных для производства устройств передачи данных по электрической сети. В России такие электронные компоненты выпускаются ОАО «Ангстрем». Технология передачи данных стала массовой, что потребовало разработки и утверждения ряда международных стандартов, установивших основные требования к подобным системам.

Дальнейшее развитие технологии передачи информации по силовой электрической сети идет по пути повышения достоверности передачи информации за счет использования новых способов обработки коммуникационного сигнала и снижения стоимости коммуникационных устройств за счет применения новейшей микроэлектронной базы. В связи с этим, тема диссертационной работы соответствует общему направлению развития технологии передачи данных по электрической сети и является актуальной.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и реализации на современной элементной базе алгоритмов обработки сигналов для устройств передачи данных по силовой электрической сети, предназначенных для передачи сравнительно небольших объемов служебной информации, например, для удаленного контроля потребления электроэнергии.

Для реализации указанной цели решаются следующие задачи:

  1. выбор формы коммуникационного сигнала, позволяющего одновременно добиться высоких показателей качества связи и обеспечить низкую стоимость устройства связи по электрической сети;
  2. разработка эффективного алгоритма формирования и обработки коммуникационного сигнала, оптимизированного для реализации в приемопередающем устройстве на базе современных недорогих электронных компонентов;
  3. разработка и опробование методики расчета и реализации пассивных реактивных широкополосных цепей согласования без потерь, пригодных для использования в устройствах приемопередачи данных по электрической сети;
  4. исследование алгоритма получения квадратурных компонент на основе комплексных фильтров и на базе данного исследования предложение структуры эффективного комплексного цифрового фильтра для использования в устройствах приемопередачи данных по электрической сети.

Методы исследования. Для проведения исследований в рамках диссертационной работы использовались методы прикладной теории информации, математической статистики, теории функций комплексного переменного, математического моделирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) предложена структура приемного устройства и цифровой алгоритм обработки многочастотного коммуникационного сигнала, подходящие для реализации на недорогой элементной базе (микроконтроллеры с функциями цифровой обработки сигналов) и с использованием только пассивных компонентов в аналоговой части устройства;

2) предложен алгоритм получения квадратурных компонент вещественного сигнала одновременно с обеспечением избирательности по частоте с использованием комплексных цифровых фильтров;

3) изучен класс комплексных цифровых фильтров без операции умножения, и из этого класса выбран фильтр, подходящий для получения квадратурных компонент и обеспечения частотной избирательности в устройствах приемопередачи данных по электрической сети;

4) предложен новый класс комплексных фильтров-дециматоров без операции умножения, пригодных для использования в приемо-передающих устройствах, применяемых при передаче данных по электросети;

5) разработана программа для моделирования и исследования параметров многоканальных приемных устройств передачи данных по электрической сети, которая использована для исследования устойчивости разработанного устройства к помехам, характерным для электрической сети.

Достоверность результатов работы подтверждается сравнением результатов с теоретическими пределами качества согласования и вероятности ошибки при передаче бита цифровой информации, экспериментальными данными, доступными по публикациям в научной литературе, результатами моделирования на ПЭВМ с использованием реальных шумовых воздействий, результатами экспериментальной проверки алгоритмов в прототипах серийных коммуникационных устройств на различных объектах.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:

1) решен ряд технических задач, позволивших существенно упростить реализацию устройства передачи данных по электрической сети.

2) применение многочастотного коммуникационного сигнала и эффективного алгоритма обработки с использованием комплексного фильтра без операции умножения позволило существенно снизить стоимость устройства передачи данных по электрической сети за счет использования недорогой элементной базы;

3) комплексные цифровые фильтры, свойства которых исследованы в работе, могут эффективно использоваться и в других направлениях науки и техники;

4) предложенная методика расчета квази-баттервортовских цепей широкополосного согласования без потерь с частотными характеристиками ПФ может эффективно использоваться для проектирования устройств передачи данных по электрической сети и ряда других применений;

5) результаты диссертационной работы использованы при разработке коммуникационного устройства, предназначенного для решения хозяйственных задач контроля потребления энергоресурсов на промышленных и жилых объектах.

Апробация и внедрение результатов работы. Значительная часть результатов работы апробирована в рамках НИОКР «Разработка и изготовление опытных образцов модемов для передачи данных по линиям электропитания (PLC-модемов)», выполнявшейся в ООО «Альтоника» в 2005 году по договору с Правительством Москвы в лице ОАО «МКНТ», о чем свидетельствует акт о внедрении (использовании) результатов диссертационной работы. Результаты работы внедрены в учебный процесс. Основные результаты работы докладывались на IX, X, XII Международной научно-технической конференциях студентов и аспирантов в 2003, 2004 и 2006 г.

Публикации по теме диссертационной работы. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи и 8 тезисов докладов на различных научно-технических конференциях. Одна из статей опубликована в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация включает введение, 5 глав, заключение, список использованных источников из 147 наименований, приложение и содержит 174 страницы текста, в том числе 95 рисунков и 7 таблиц.

Научные положения, выносимые на защиту

1) структура приемного устройства и алгоритм цифровой обработки коммуникационного сигнала, подходящие для реализации на одном микроконтроллере;

2) методика расчета цепей согласования для устройств передачи данных по электрической сети;

3) результаты расчета и анализа частотных зависимостей показателей неаналитичности широкого класса комплексных цифровых фильтров, обладающих свойством преобразовывать вещественную последовательность, поступающую на вход фильтра, в комплексную последовательность, близкую по свойствам к аналитической, одновременно с обеспечением избирательности по частоте;

4) методика расчета комплексного фильтра без операции умножения, подходящего для использования в комплексных фильтрах-дециматорах в тракте цифрового приемного устройства.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена цель диссертационной работы, показана ее актуальность и практическая значимость; определена новизна и обоснована достоверность полученных результатов, представлены основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе на основе обзора литературы, технической документации компаний-производителей электронного оборудования и патентного поиска приводится краткий обзор существующих систем передачи информации по электрической сети; описаны основные трудности и проблемы. Сделаны выводы о необходимости продолжения научных исследований и технических разработок в данной сфере, определены наиболее важные направления работы. В результате сформулированы цель диссертации и решаемые в ней задачи.

Во второй главе на основе анализа структурной схемы и шумовой модели системы передачи информации по силовой электрической сети выбран коммуникационный сигнал, наиболее подходящий для использования в системах передачи информации на основе так называемой «технологии узкополосной передачи данных».

Для снижения стоимости приемо-передающего устройства, ориентированного на массовое производство, разумно использовать недорогие современные микроконтроллеры с функциями цифровой обработки сигналов (ЦОС). В число вспомогательных устройств, размещенных в интегральной схеме микроконтроллера, часто входят блоки широтно-импульсной модуляции, которые могут использоваться для генерации коммуникационного сигнала, и модули АЦП, подходящие для его приема. Поэтому все приемо-передающее устройство может быть реализовано на одной интегральной схеме микроконтроллера с функциями ЦОС. Зачастую скромные вычислительные возможности микроконтроллера с функциями ЦОС не позволяют генерировать многочастотный сигнал на основе быстрого преобразования Фурье. Вследствие этого отказ от требования максимально эффективного использования полосы в пользу существенного снижения стоимости коммуникационного устройства часто оказывается приемлемым компромиссом.

Предлагается использовать сигнал с несколькими поднесущими (числом L) с дифференциальной фазовой манипуляцией на каждой из них. Для повышения устойчивости к воздействию помех могут быть отключены те частотные каналы, в которых присутствуют узкополосные помехи. Такой многочастотный сигнал может быть легко сформирован с помощью блока широтно-импульсной модуляции (ШИМ), интегрированного в микросхему микроконтроллера. Для этого выберем частоты поднесущих f1, f2, …, fL кратными частоте следования информационных символов fS: f1 = m1fS, …, fL = mLfS (Рис. 1). Микроконтроллер на протяжении длительности информационного символа TS = 1 / fs рассчитывает L функций (Рис. 1), которые суммируются и образуют модулированный сигнал (Рис. 2, а). Цифровой код, M = 2L, подается в блок ШИМ, где превращается в последовательность прямоугольных импульсов с частотой fT, скважность которых пропорциональна мгновенному значению сигнала (Рис. 2, б). Дифференциальная двоичная фазовая манипуляция осуществляется изменением знака функции во время формирования соответствующего информационного символа.

Можно показать, что коэффициенты разложения напряжения на выходе блока ШИМ в ряд Фурье описываются выражением

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»