35
реализуются на базе универсальных либо специализированных
микропроцессоров и выпускаются рядом фирм в виде наборов микросхем.
Изолирующий (соединительный) модуль в общем случае осуществляет
две функции: изолирует аппаратуру коммуникационного узла от напряжения
питания и выделяет информационный сигнал из силового напряжения.
Обычно этот модуль выполняется из отдельных радиоэлектронных
компонентов[2].
Некоторые фирмы изготавливают специальные микросхемы
усилителей мощности, позволяющие передавать сигнал на большие
расстояния. На основе этих компонентов может быть построенэлектромодем
со стандартным или заказным интерфейсом пользователя.
Для обеспечения совместимости изделий различных производителей (в
рамках одного класса приложений) предпринимаются усилия по
стандартизации технологий передачи информации по линиям питания.
ВЧ-связь по ЛЭП (PLC) в значительной степени изучена как среда для
передачи ВЧ сигналов, для использования в коммуникациях.
Разработка нескольких протоколов PLC (X-10, CEBus и LonWorks) в
недавнем прошлом возобновила интерес к этому вопросу.
Эта работа дает краткую характеристику спектрального поведения
физического уровня этих протоколов, анализирует данные, полученные в
предыдущих исследованиях по ЛЭП, и используются их выводы для
характеристики протоколов. Предложен метод проверки этого поведения.
До последнего времени, большая часть домашней и бытовой
автоматизации было сделано с использованием собственных систем, которые
требовали специальных каналов связи, таких как витая пара, коаксиальный
кабель и оптоволокна. Последние технологические разработки сделали
возможным появление устройств, которые используют ЛЭП для передачи и
приема управляющих сигналов с некоторой степенью достоверности. Тем не
менее есть особенности при использовании этого способа, так как ЛЭП были
разработаны для передачи энергии при частоте 50-60 Гц и по большей части
36
400 Гц. Хуже всего то, что ЛЭП - наиболее электрически загрязненная среда
и ослабление сигнала на интересующих частотах довольно велико, что делает
заманчивым получение надежных результатов.
Главное достоинство PLC то, что физическая сеть уже установлена,
делает ее очень заманчивой альтернативой. Физические недостатки сети –
необходимость установки ретрансляторов некоторого вида, если расстояние
значительно и мостов через распределительные трансформаторы если будет
необходимость перейти через эту границу [1].
Другой аспект, который надо принять во внимание, различие в
стандартах, соответствующее части мира, где технология будет установлена.
Наиболее важные параметры обусловленные различными стандартами
– максимальная передаваемая мощность и разрешенная полоса частот.
Ограничения накладываются на помехи другим
телекоммуникационным службам и могут быть мерой, чтобы избежать
дальнейшей спектральной засоренности. Рисунок 10 показывает частотные
спектральные ограничения накладываемые органами государственного
регулирования в двух важнейших рынках: Северной Америке и Европе.
Рисунок 10 - Частотные спектральные ограничения
37
Важно отметить строгие ограничения, введенные Европейским
CENELEC EN 50065-1 [1] и узкую полосу, разрешенную для PLC. Это может
препятствовать использованию какого-нибудь стандарта, как будет показано
позже. В результате работа PLC в Европе ограничена частотным диапазоном
от 85 до 150 кГц, тогда как в Северной Америке спектр шире (540 кГц).
Исходя из найденных ссылок по теме, будут исследоваться такие
аспекты: характеристическое сопротивление ЛЭП на ВЧ, источники шума и
их влияние на PLC сигнал, передаваемый по ЛЭП и как существующие
протоколы работают при изучаемых параметрах.
Протоколы
Так как цель этой работы – проанализировать эксплуатационные
качества протоколов с описанием характеристик, кратко обсудим физические
аспекты интерфейсов коммуникационных сигналов и ЛЭП.
X-10
Технология Х-10, один из старейших PLC протоколов, использует
разновидность АМ (ASK-модуляцию) для передачи информации. Несмотря
на то, что он изначально был однонаправленным (контроллер к управляемым
модулям), последние разработки показали, что некоторые двунаправленные
устройства могут быть выполнены. Контроллеры Х-10 посылают сигналы
через ЛЭП к простым приемникам, которые используются главным образом
для управления освещением и другими приборами. Некоторые контроллеры,
доступные сегодня выполняют какой-то вид ворот междуЛЭП и другими
способами, такими как RF и инфракрасный.
120 кГц АМ несущая, 0.5 Вт сигнал накладывается на ЛЭП при
пересечении нуля, для минимизации шумовых помех. Информация
кодируется вспышками этого ВЧ сигнала. Для повышения надежности связи,
каждый информационный бит посылается дважды и требует целый период
линии, что ограничивает пропускную способность 60 бит/с (в 60 Гц линии).
Стандартная команда Х-10 состоит из двух пакетов с интервалом в 3 периода
между ними. Как упоминалось, каждый пакет содержит два одинаковых
38
сообщения из 11 бит каждое, что растягивает 48-периодную команду на 0.8 с.
Это показывает плохую пропускную способность, тогда как надежность
передачи - жесткий компромисс с окружающим шумом. Это главная
причина, ограничивающая применение данной технологии.
CEBus
CEBus протокол использует равноправную коммуникационную модель
так, что любой узел сети имеет доступ к линии в любое момент. Чтобы
избежать коллизий, используется многократный контроль несущей,
определяющий доступ/конфликт и протокол разрешения коллизий
(CSMA/CDCR). По существу это протокол, управляющий доступом к линии
(МАС) приказывающий узлу сети ждать пока линия не освободится, это
значит, что никакие другие пакеты не будут передаваться, пока он будет
посылать свой собственный. Цель CSMA/CDCR – оптимизировать
канальный доступ, позволяя использовать линию стольким узлам, сколько
возможно без взаимных помех. Пакеты данных посылаются передатчиком
около 10Кбит/с, используя запатентованную широкополосную технологию.
Физический уровень CEBus протокола связи основан на технологии
расширения спектра, запатентованной IntellonCorp. ofOcala, FL. В отличие от
традиционной широкополосной техники (скачки частоты или прямое
последовательное расширение), в CEBus легко преодолевается диапазон
частот при передаче.
Формы сигнала синтезированы из таблицы 360 квантованных значений,
отобранных по критерию. В соответствии с патентом, «точки выбираются
так, чтоб максимизировать энергию внутри полосы, сохраняя объем
внеполосных гармоник на минимальном уровне». Частота сигнала
начинается при 200 кГц и простирается до 400 кГц, скачет до 100 кГц и затем
снова тянется до 200 кГц. Полная 200-400/100-200 кГц развертка по частоте
(называемая щебетом) занимает 25 периодов за 100 мкс. Рисунок 2
показывает реальные отсчеты этого щебетания.
39
Щебет является самосинхронизирующейся, последовательностью
битов данных, принимаемую всеми узлами сети, чтоб сделать возможным
разрешение состязаний и обнаружения конфликтов необходимо
поддерживать этот контроль несущей в основе сетевого протокола.
Способность отвергать высокие уровни мешающих сигналов – одно из
главных преимуществ широкополосной связи.
Как упоминалось, пакеты данных передаются с использованием
широкополосного щебетания. Первая последовательность щебета формирует
преамбулу для разрешения конфликтов, которую передатчики используют
для разрешения конфликтов при доступе к линии связи. Это вступление
следует за последовательностью щебетов, которая формирует начало
символьного пакета используемое для отметки начала данных внутри пакета.
Для отделения вступления от данных, щебет передается с другой
длительностью (114 вместо 110 мкс). Приемники имеют коррелятор или
подобранный фильтр, который выдает импульс, когда фиксируется щебет,
производящий точную самосинхронизацию. Полное рассмотрение этого
вопроса может быть найдено в [3] и [4]. Другие детали протокола
малоинтересны для главной цели этой работы и не рассматриваются здесь.
Для более детальной информации смотри ссылку [10]. В итоге, этот протокол
использует предварительно расширенную несущую, сохраненную в ПЗУ, и
передачу сигналов с использованием полосы значительно большей, чем
минимально необходимая для посылание информации. Этот метод вносит
усиление около 15дБ (улучшение отношения сигнал/шум) при 10 кБит/с.
LonWorks
Технология LonWorks разработана EchelonCorporation и обеспечивает
равноправный коммуникационный протокол, обеспечивающий доступ с
многократным контролем несущей (CSMA). В отличие от CEBus, LonWorks
узкополосная схема модуляции (125-140 кГц, BPSK), которая использует
многоразрядную корреляцию для сохранения данных в присутствие помех
[12], с запатентованным импульсным обнулением шума. Так как эта
40
технология использует более узкую полосу, то передача сигналов
допускается при значительно меньшем уровне искажений, чем
широкополосная.
Использование техники цифровой обработки сигналов для приемника
позволяет добиться вышеуказанных результатов также легко, как при
цифровой фильтрации внеполосного шума и большего динамического
диапазона (требуется до 80 дБ). Передатчики, рекомендованные для этих
применений, как например, PLT-21, возможности которого встроенный
усилитель, который повышает выходной сигнал до 7 В. Его 1 Омное
выходное сопротивление и 1 А токовая мощность позволяет передатчику
управлять высокими выходными уровнями в низкоомных схемах. Рисунок 3
показывает блок-схему этого передатчика и его использование в PLC узле.
Преимущество узкой полосы, использующейся в LonWorks является
возможность использования практически по всему миру, в отличие от CEBus,
которая имеет ограниченное применение в Европе, так как полоса выходит за
спектр разрешенный CENELEC, как показано на рисунке 1.б. Передатчик
PLT-21 обеспечивает CENELEC протокол доступа, который может быть
разрешен или запрещен пользователем, исключающий необходимость
разработки комплекса временных и алгоритмов и алгоритмов доступа,
предоставленных CENELEC 50065-1 [13]. Его главный недостаток –
уменьшение скорости передачи до 5.5 кБит/с, что соответствует пропускной
способности сети 4 кБит/с, после учета избыточности для исправления
ошибок.
1.4 Канальный уровень
Протокол X10 – описание и характеристики
Двунаправленный PLC интерфейс для OEM использования (XM10,
TW7223)
XM10 – это приемо передающий модуль, который подключается к
электросети 220В и к OEM контроллеру через телефонную розетку RJ 11.
TW7223 может быть установлен внутри корпуса контроллера, подключается
41
к переменному напряжению 220В перед адаптером питания контроллера (это
типичное подключение для большинства систем безопасности).
Оба интерфейса обеспечивают оптронную связь с электросетью
переменного тока 50Hz для получения сигнала синхронизации с нулевым
уровнем напряжения в сети. Внешнее устройство вырабатывает X-10
совместимые коды, которые должны синхронизироваться относительно
нулевой точки переменного напряжения в сети. Полученный код интерфейс
(XM10, TW7223) передает в сеть 220В[1].
Возможность двунаправленной передачи
Интерфейс XM10 может передавать и принимать X-10 команды.
Интерфейсный модуль XM10 дает возможность изделию стороннего
производителя (OEM) внедриться в систему X-10, управлять модулями, и
получать сигналы X-10 от удаленных датчиков. (например детектор
движения)
Передача X-10 кодов
X-10 команда состоит из некоторого количества импульсов, каждый из
которых длительностью 1 микросекунда. Для успешного прохождения
команды X-10 в электросеть импульсы от внешнего устройства, передаются
интерфейсу на вход Transmitinput. Эти пакеты импульсов должны быть
максимально синхронизированы с моментом нулевого уровня напряжения в
электросети. Этот момент определяется интерфейсом через оптронное
соединение с выхода Zerocrossingoutput [2].
Прием Х-10 кодов
Двунаправленный интерфейс использует собственную интегральную
схему (микроконтроллер MicroChip) для чтения X-10 команд из электросети.
Это освобождает микропроцессор внешнего
нарушению
контроллера, так
EN
как не
AdaptiveNetworks
нужно
постоянно
локальной
сканировать электросеть и
вредного
проверять входящие
возникать
сигналы (в том
переводе
числе и шум)
формируя
для определения X-10
каждую
кода. На
кабелем
внешний контроллер с
комнат
интерфейса поступают
мигает
только проверенные
диапазоне
сигналы, имеющие
заказным
эквивалент
X-10 команды.
ПЭВМ
Верный X-10 код
удлинителя
сначала сохраняется в
значительной
интерфейсе, а потом
проем
42
последовательно передается
деградации
внешнему контроллеру
объектов
через выход
практичным
Receiveoutput. Эта
экономическом
передача совпадает
потребление
по времени с
мочеполовую
приемом второго
битов
повтора
X-10 посылки. (X-10
удалять
коды всегда
взлома
передаются группами
условий
по два
переменному
повтора, за
состоят
исключением команд
Сетевое
Bright, Dim.) [3].
высокий
Контроллеру передаются
расстояниях
только верные
сосредоточиться
данные. Старт
гарантированную
код (1110)
может
спинки
быть использован
светло
как сигнал
групповых
контроллеру о передаче X-10
неэкранированной
кода.
Эквивалентом «1»
Interface
является импульс
значимых
длительностью 1.1 милисекунда,
аварийном
он
следует с
посылание
запозданием относительно
сетями
импульса на
выбор
выходе Zerocrossingoutput
кабинете
приблизительно 100 микросекунд.
порта
Учитывая задержки
доставке
при приеме и
жертвам
обработке сигнала,
надежную
истинное значение
кодовым
переданного бита
КЕО
информации
контроллер
интервал
должен распознавать в
являются
пределах 500-700 микросекунд
значительной
после
обнаружения
указан
импульса на
предотвращения
выходе Zerocrossingoutput.
Маленький
Красный светодиод
оптимальному
на интерфейсе
Опе
сигнализирует о приеме
установкой
данных.
Индикатор
архитектур
светится если
ноль
двунаправленный интерфейс
величина
подключен к
электросети.
мелькания
Индикатор мигает
центром
если идет
высокие
прием данных.
вопросу
Интерфейс также
жжением
принимает код
предъявленные
при собственной
обусловленные
передаче, поэтому
данном
индикатор будет
приборами
мигать
при
спектральной
передаче данных в
человек
электросеть.
Способность
прямое
читать X-10 коды
пользователе
из электросети
деградация
одновременно с
передачей
эргономических
кодов позволяет
выглядит
распознавать коллизии в
корректную
электросети. Если
стирать
принимаемый бит
показали
не равен
свободной
биту подготовленному
глаз
для передачи,
миокарда
код может
совместное
быть воспринят
затратах
как искаженный
Регистрация
шумом (или передача
станцию
кода другим
Согласно
трансивером) в электросети.
некоторого
Возможность мониторинга
встраиваемых
электросети позволяет
предприятий
внешнему
устройству,
Яхимович
перед началом
режиму
передачи, определить,
Над
что сеть
энергосберегающим
свободна от
стоимостью
сигналов X-10. Это
первичных
означает, что в
исключается
системе со
стенами
многими передатчиками
световым
можно минимизировать
для
конкуренцию между
проводящего
ними. Например,
новый
после
обнаружения,
глаз
что линия
байтами
свободна, передатчик
вырабатывает
ждет случайное
безубыточности
число
полупериодов
средства
переменного напряжения
выполнены
перед передачей.
дрожь
Другой приоритет
Похоже
может быть
хранения
назначен для
оснастки
каждой передачи,
звуковое
назначением фиксированной
консолей
43
задержки перед
повтора
посылкой данных.
вперед
Чем короче
тарифная
задержка, тем
двунаправленный
выше
приоритет[7].
оптимальным
Технология X-10 разработана в 1978 г.
Wi
корпорацией Х-10 с
ориентацией
FDM
на задачи
на
дистанционного управления
заявленной
светильниками и
простейшими
состязаний
бытовыми приборами.
заманчивой
Для передачи
Суперобласти
двоичной информации
отсюда
здесь используется
равна
генерация коротких
эта
радиоимпульсов частотой 120
такой
кГц в
момент
Минаев
перехода переменного
частые
напряжения через
получателя
ноль. Выбор
границу
такой схемы
сопротивление
кодирования обусловлен
структуризации
тем, что
скорости
нулевое значение
передавать
напряжения
характеризуется
единственную
меньшими уровнями
минимум
шумов и влияния
света
других устройств,
третьего
подключенных к сети [8].
выполняющего
Двоичной «1» соответствует
диски
передача частоты 120
прозрачно
кГц в течение 1
браузеров
мс,
а двоичному «0» —
вытянутых
отсутствие радиоимпульса. В
ограничения
целях уменьшения
непрерывная
ошибок
для
европейским
передачи одного
DS
бита используются
сетях
два перехода
четырьмя
через ноль.
структурой
Поэтому
скорость
симптомов
передачи ограничена
естественные
величиной 60 бит/с (для
появились
сети 120 B, 60 Гц).
подключена
Прикладному уровню
возможности
соответствует язык
кости
управления простейшими
сосуществовать
устройствами. Полная
метра
команда Х-10 состоит
доля
из двух
удовлетворяют
пакетов, разделяемых
переносятся
интервалами в три
высокими
периода для
клиентов
ее передачи
прекращается
требуется 47 циклов
поверхностью
или
приблизительно 0,8 с.
относительно
Контроллеры и адаптеры Х-10
больших
выпускаются многими
угле
фирмами США.
В
Теперь
ряде стран
битов
Европы доступны
принтерного
продукты Х-10, адаптированные к
велик
европейским электросетям.
называется
Стоимость модулей Х-10
электроустановки
колеблется от 8
ПЭВМ
долл. за
пространстве
пассивный приемник
соединяется
до 50—100 долл.
администратора
за многофункциональное
предусмотреть
активное
устройство [9].
укрупненная
Основными недостатками
Германии
системы на
желудочно
базе Х-10 являются
освещение
низкая
скорость
узлам
передачи и функциональная
промежутков
ограниченность.
Технологии X-10
NeuronChip
уже более 20
поверхности
лет. Она
сборки
была разработана в 1978
конкурентно
году
одноименной
см
компанией и была
подключена
позиционирована на
угрозы
рынке как
занимают
технология
дистанционного
однообразные
управления бытовыми
ячейки
приборами. Для
расширения
передачи цифровых
импульсное
данных технология
разветвителя
предусматривает использование
блоками
коротких
радиоимпульсов
главе
на частоте 120
импульсным
кГц в момент
тоже
перехода переменного
большая
44
напряжения через
темы
ноль. Данная
свои
схема кодирования
прикладной
выбрана не
синхронизироваться
случайно:
нулевое
пользователю
значение напряжения,
репитера
как правило,
складские
характеризуется меньшими
продвинуться
уровнями шумов и
установке
влияния других
обладает
устройств в сети.
Заведующий
Цифровой сигнал
стены
передается следующим
новыми
образом: двоичной «1»
Учетная
соответствует передача
размер
частоты 120 кГц в
кассе
течение 1 мс, а
совместное
двоичному «0» —
отсутствие
щебета
радиоимпульса. В целях
экранирования
уменьшения ошибок
ссылки
для передачи
ISBN
одного бита
коммутаций
используются два
столкновения
перехода через
выбран
ноль. Именно
учитываться
поэтому
скорость
проводной
передачи данных
конфликт
для сети 120 B, 60
являлись
Гц ограничена 60
объединились
бит/с.
Специально
Адаптивная
для X10 был
ссылки
разработан язык
классах
управления простейшими
газа
устройствами, работающими
контрольному
от электрической
стандартно
сети.
Сегодня
получения
контроллеры и адаптеры Х-10
система
для бытовых
информацию
устройств
выпускаются
зоне
многими компаниями
минимальная
США и Европы.
иерархия
Стоимость этих
модему
модулей
колеблется
нормативами
от 10 долл.
обмотке
за пассивное
файлы
устройство до 100-200
графическом
долл. за
полосы
многофункциональный активный
поисках
прибор.
Однако у X-10
доклады
есть два
рентгеновского
довольно серьезных
статическими
недостатка: низкая, а
распознать
по
сравнению
окрашены
со стандартными
Источниками
сетями передачи
ворот
данных просто
передающий
смешная,
скорость
мышцах
передачи и значительные
сигнал
ограничения по
Переданная
функциональности.
Передача X-10
электропроводки
кодов
X-10 команда
добавлении
состоит из
узлам
некоторого количества
журн
импульсов, каждый
сообщается
из
которых
Здесь
длительностью 1 микросекунда.
стандартными
Для успешного
упростило
прохождения
команды X-10 в
Нормируемая
электросеть импульсы
звучит
от внешнего
выполняемой
устройства, передаются
карта
интерфейсу на
байтами
вход Transmitinput.
компании
Эти пакеты
временной
импульсов должны
цифровым
быть
максимально
коммуникациях
синхронизированы с моментом
ухудшается
нулевого уровня
возникновения
напряжения в
электросети.
присоединяется
Этот момент
среда
определяется интерфейсом
сеть
через оптронное
перспективные
соединение с выхода
вашем
Zerocrossingoutput.
Прием Х-10
зоне
кодов
Двунаправленный
хотите
интерфейс использует
позволявшего
собственную интегральную
факторов
схему (микроконтроллер MicroChip)
периферии
для чтения X-10
Оба
команд из
узкополосная
электросети.
Это
умолчанию
освобождает микропроцессор
что
внешнего контроллера,
ISAbus
так как
Фирме
не нужно
Администрация
постоянно сканировать
исключается
электросеть и проверять
передают
входящие сигналы (в
обоих
том