Разработка и исследование программно-аппаратных средств для передачи цифровых сигналов по электрическим распределительным сетям тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Кочуров, Олег Михайлович

• Кочуров, Олег Михайлович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кочуров, Олег Михайлович

Введение.

Глава 1. Вопросы использования линий электропередач для высокочастотной связи.

1.1 Высокочастотная связь по линиям электропередачи.

1.2 Моделирование распределительных сетей, как среды распространения высокочастотных сигналов.

1.3 Помехи в линиях электропередачи.

1.4 Нормативные документы по вопросам электромагнитной совместимости.

1.5 Существующие электромодемы для передачи сигналов по электрическим распределительным сетям.

Выводы.

Глава 2. Исследование условий распространения высокочастотного сигнала по электрическим распределительным сетям.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Волновые свойства проводов и кабелей: Первичные параметры.

2.3 Анализ электрических распределительных сетей, как длинных линий.

2.4 Разработка схем замещения элементов электрической сети.

2.5 Исследование характеристик электромагнитных помех и их источников

2.6 Разработка методик экспериментального исследования элементов электрических распределительных сетей.

Выводы.

Глава 3. Сравнительный анализ эффективности применения сигналов цифровой связи для передачи данных по электрическим распределительным сетям.

3.1 Постановка задачи.

3.2 Основные определения и обозначения.

3.3 Сигналы цифровой связи и их характеристики.

3.4 Спектральные характеристики сигналов цифровой связи.

3.5 Методы расширения спектра.

3.6 Оптимальные приемники сигналов цифровой связи.

3.7 Анализ работы оптимальных демодуляторов в условиях случайных и импульсных помех.

3.8 Вероятности ошибок в присутствии нормального белого шума.

3.9 Разработка обоснований выбора вида манипуляции.

3.10 Анализ работы оптимальных приемников сигнала с многопозиционной частотной манипуляцией в условиях импульсных помех

Выводы.

Глава 4. Разработка эффективной программной и схемотехнической реализации электромодема.

4.1 Постановка задачи.

4.2 Цифровая реализация обнаружения и демодуляции.

4.3 Анализ влияния шума квантования на условия приема сигнала.

4.4 Разработка алгоритма символьной синхронизации на основе запаздывающего и опережающего стробирования.

4.5 Разработка адаптивного алгоритма-выбора символьной скорости.

4.6 Квантование на основе обобщенной теоремы Котельникова.150°

4.7 Оптимизация длительности символа для эффективного подавления импульсных помех.

4.8 Обобщенная структура приемника с цифровым демодулятором и разработка рекомендаций к ее элементам.

4.9 Разработка методических указаний по расчету параметров сигнала.

4.10 Использование разработанных методик для реализации канала управления индукционным регулятором1.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование программно-аппаратных средств для передачи цифровых сигналов по электрическим распределительным сетям»

В последние десятилетия в связи с развитием автоматических систем управления и информационно-измерительных систем, построенных с использованием микропроцессорной техники, повсеместно возрастает потребность в средствах телекоммуникаций как в глобальном, так и в локальном масштабах. Системы управления и мониторинга в промышленности, на транспорте, в медицине, энергетике становятся все более интеллектуальными и распределенными. Одновременно значительное распространение получают средства бытовой автоматики, системы охранной и иной сигнализации, которые также нуждаются в развитой инфраструктуре средств связи. При этом важную роль играет экономический фактор: средства информационного обмена должны быть дешевыми и повсеместно доступными [1].

Ориентация на конкретный класс приложений выдвигает различные требования к скорости и дальности передачи данных. Одной из актуальных задач является организация передачи данных на короткие расстояния — в пределах здания' или нескольких зданий, расположенных на сравнительно небольшой территории.

Традиционным решением в данном случае являются проводные каналы связи. В бытовых, коммерческих и промышленных системах передачи информации нашли широкое распространение проводные каналы связи, на базе которых реализованы интерфейсы Ethernet, RS-232, RS-485, USB и многие другие. Такие каналы характеризуются высокой скоростью передачи данных (до десятков Мбит/с) и дальностью передачи (до нескольких километров).

В настоящее время промышленностью выпускается широкий круг радиопередающих приборов, действующих на расстоянии от одного до нескольких сотен метров и даже десятков километров, отличающихся скоростью передачи данных, мощностью передатчика, рабочим диапазоном частот, конструктивным исполнением. Появление приемопередающих устройств, выполненных в виде одной интегральной или гибридной микросхемы, не требующих настройки, и предполагающих подключение минимального количества внешних элементов, позволяет максимально упростить конструирование радиомодемов. Подобные устройства выпускаются фирмами Infineon Technologies AG, Gran-Jansen AS, Xemics, RF Monolithics Inc., Microchip, Maxim, Telecontrolli и др [2].

Недостаток проводной связи очевиден: требуется проведение дорогостоящих работ по прокладке кабеля, которые существенно осложняются при необходимости организации канала связи между несколькими зданиями. Вместе с тем, высокая пропускная способность проводных каналов связи нередко оказывается избыточной.

В случаях, когда не требуется высокая пропускная способность канала связи, можно заменить проводную сеть радиоканалом. Радиосвязь широко распространена в компьютерной технике. Так, например, интерфейс Bluetooth и Wi-Fi, применяющиеся для связи компонентов персонального компьютера, чаще всего расположенных в пределах одной комнаты.

В технических приложениях наиболее популярны устройства, работающие на частоте 433 МГц с мощностью передатчика 10 мВт. Такие устройства могут свободно использоваться, так как не требуют регистрации и получения разрешения для эксплуатации.

Радиус действия* маломощных радиопередатчиков сравнительно мал. В условиях промышленного здания радиосигнал проходит через стены, железобетонные конструкции, станки и оборудование. Поэтому потери мощности сигнала весьма существенны. Так при прохождении' сигнала через три перекрытия современного железобетонного здания потери сигнала могут превышать 24 дБ. Кроме того, после каждого препятствия уровень сигнала начинает спадать с расстоянием гораздо быстрее. Точную количественную характеристику затуханию дать сложно. В литературе можно найти лишь рекомендации для приближенного расчета распространения радиоволн, сформулированные на основе документов ITU-R и собственных исследований [3].

В технических описаниях маломощных радиопередатчиков (10 мВт), приводятся^ противоречивые сведения о радиусе действия. Как правило, он составляет от 250 до 1000 м на открытом пространстве и от 50 до 150 м в помещении.

По данным, приведенным в литературе [3], можно заключить, что радиоканал, организованный в условиях промышленных зданий и сооружений с многочисленными железобетонными и металлическими конструкциями, характеризуется большими потерями мощности сигнала.

Могут быть приведены многочисленные примеры распределенных систем управления и измерений, в которых объемы передачи информации не превышают десятков-сотен байт в секунду. К ним относятся контрольно измерительные приборы, в том числе поддерживающие стандарт SCPI, часто на физическом уровне реализуемый посредством низкоскоростных интерфейсов, таких как RS-232.

В последнее время многие зарубежные фирмы обратили внимание на возможность использования существующей инфраструктуры низковольтных распределительных электрических сетей (380/220 В), как канала передачи данных на высокой частоте [4].

Среди известных производителей электромодемов для высокочасто-ной связи по линиям электропередач такие фирмы, как Capelon, SmooCom, К & Р Energiemanagement, Archnet Technology, Data Link Group. Фирмы Intellon, ITRAN Communications, Philips Semiconductors, Ангстрем производят специализированные интегральные микросхемы для электромодемов.

К преимуществам данного канала связи следует отнести широкую распространенность электрических сетей, их механическую прочность, отсутствие необходимости проведения дорогостоящих работ, связанных с созданием траншей и колодцев; пробивкой? стен и прокладкой кабелей, а также возможность формирования^ симметричных каналов связи стимулируют повышенный интерес к электрическим сетям, как среде передачи данных.

Высокочастотная связь по линиям* электропередачи на протяжении многих лет является основным средством связи в энергетике [5]. Использование линий электропередачи для связи началось почти одновременно с появлением самих ЛЭП. В Советском Союзе первый канал высокочастотной телефонной связи был осуществлен на линии 110 кВ в 1922 г. В 1935 г. начался выпуск первой отечественной аппаратуры высокочастотной связи типа ДПК. С 1940 г. каналы высокочастотной связи стали использовать не только для телефонной связи, но и для высокочастотной защиты линий электропередачи.

Однако, примеры использования высокочастотной связи по низковольтным распределительным линиям в жилых, коммерческих или промышленных зданиях для самого широкого круга задач от бытовой автоматики до передачи измерительной и управляющей информации в промышленности крайне малочисленны.

Это обусловлено определенными трудностями в использовании силовых линий для передачи информации и недостаточным уровнем исследования низковольтных распределительных электрических сетей, как канала распространения высокочастотного сигнала, и электромагнитных помех, присутствующих в них, в интересующем частотном диапазоне.

Передача сигналов по электрическим сетям относится к проводным средствам связи. Это дает возможность организовать связь только там, где это необходимо, сформировать канал распространения сигнала при помощи высокочастотных заградителей, предотвращающих распространение высокочастотного сигнала в нежелательном направлении.

Возможность формирования канала может оказаться особенно удобной в тех случаях, когда схема информационных связей между отдельными объектами совпадает со схемой электрической сети. Например, при использовании высокочастотного канала для сбора данных по учету электроэнергии или контролю качества электроэнергии.

Могут быть приведены многочисленные примеры распределенных систем управления и измерений, в которых объемы передачи информации составляют от единиц до десятков байт в секунду. В таких системах канал по электрическим сетям может составить,альтернативу традиционным проводным средствам связи и радиоканалу в ряде задач промышленной автоматики. Вместе с тем позволит организовать связь в пределах одного или нескольких зданий, не требуя- проведения работ по прокладки дополнительных кабелей связи.

Как будет показано ниже, вопросы высокочастотной связи по низковольтным электрическим распределительным сетям в нашей стране недостаточно проработаны. В этой связи тема диссертации «Разработка и исследование программно-аппаратных средств для передачи цифровых сигналов по электрическим распределительным сетям» представляется современной и имеющей практическое значение.

Цель работы

Цель работы заключается в разработке модели и методик экспериментального исследования канала высокочастотной связи по низковольтным электрическим распределительным сетям и формулировке практических рекомендаций по разработке каналообразующей аппаратуры.

Задачи исследования

В связи с поставленной целью задачами исследования являются:

1. Проведение анализа существующих моделей линий электропередач в качестве среды распространения высокочастотного сигнала, а также известных технологий высокочастотной связи по линиям электропередач.

2. Разработка модели линий электропередач и нагрузок с точки зрения условий распространения высокочастотного сигнала.

3. Разработка методики экспериментального исследования характеристик канала высокочастотной связи по электрическим распределительным сетям.

4. Исследование процесса приема сигнала в условиях помех; характерных для электрических распределительных сетей.

5. Разработка рекомендаций по созданию каналообразующей аппаратуры с использованием средств современной электроники и микропроцессорной техники.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана модель низковольтных электрических распределительных сетей, как среды распространения высокочастотных сигналов на основе теории цепей с распределенными параметрами.

2. Проведена классификация нагрузок и разработаны их схемы замещения, отражающие влияние нагрузок на условия распространения высокочастотного сигнала. Отличительной особенностью схем замещеншг является сложный характер зависимости их параметров от частоты, учитывающий вихревые токи в массивных ферромагнитных телах.

3. Исследовано влияние импульсных помех, характерных для канала высокочастотной связи по электрическим распределительным сетям, на оптимальный приемник ортогональных сигналов. Получены зависимости вероятности ошибок от частоты для канала с гауссовым шумом в присутствии импульсных помех.

4. Разработана нелинейная модель аналого-цифрового преобразователя, позволяющая исследовать влияние эффектов квантования на работу оптимального приемника при цифровой реализации демодулятора.

Практическая значимость

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Получены выражения для прогнозирования затухания высокочастотного сигнала, удобные для вычислений с использованием компьютера.

2. Предложены методики измерения характеристик канала высокочастотной связи по электрическим распределительным сетям, а именно: затухания, входного сопротивления сети и нагрузок, уровней помех. Методики преимущественно базируются на цифровом осциллографировании с последующей обработкой на основе дискретного преобразования Фурье.

3. Сформулирован формальный критерий выбора вида модулированного сигнала на основе требований к скорости передачи' информации, доступной полосе частот и характеристикам канала.

4. Сформулированы общие рекомендации по выбору параметров звеньев приемника: усилительных и фильтрующих устройств, аналого-цифрового преобразователя.

5. Предложены алгоритмы функционирования цифрового демодулятора ортогональных сигналов, символьного синхронизатора и адаптивного выбора скорости.

6. Получены диаграммы для определения эквивалентного увеличения уровня шума вследствие эффектов квантования в цифровом демодуляторе.

7. Разработаны методические указания по выбору и расчету параметров сигнала: объема словаря, символьной скорости, частот манипуляции, частоты квантования.

Внедрение результатов

Результаты работы внедрены при проектировании станции приемосдаточных испытаний по заказу ОАО «ВИПТИЭМ» г. Владимир. Высокочастотная связь использована для организации канала дистанционного управления приводом индукционного регулятора и получения диагностической информации о его выходном напряжении.

Основные положения, выносимые на защиту

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Модель низковольтных электрических распределительных сетей, как среды распространения высокочастотного сигнала, на основе теории цепей с распределенными параметрами.

2. Схемы замещения нагрузок, отражающие их влияние на условия распространения высокочастотного сигнала, учитывающие сложный характер зависимости параметров от частоты.

3. Методики измерения характеристик канала высокочастотной связи по электрическим распределительным сетям, а именно: затухания, входного сопротивления сети, входного сопротивления нагрузок, уровней помех.

4. Результаты исследования влияния специфических импульсных помех на работу оптимального приемника сигнала с частотной манипуляцией.

5. Рекомендации по выбору вида модулированного сигнала с. учетом характеристик канала высокочастотной связи по электрическим распределительным сетям.

6. Нелинейная модель АЦП, отражающая влияние эффектов квантования на условия работы цифрового корреляционного приемника.

7. Алгоритм символьной синхронизации на основе метода опережающего и запаздывающего стробирования.

Публикации по теме

Основные результаты опубликованы в следующих работах.

1. Новиков В. К., Кочуров О. М., Вопросы использования линий электропитания для передачи цифровой информации // Материалы н.-т. конференции ФИПМ «Математические методы, информационные технологии и физический эксперимент в науке и производстве». — Владимир: ВлГУ, 2003. —С. 95-96.

2. Новиков В. К., Кочуров О. М., Применение цифровых фильтров в системе передачи сигналов по электрическим распределительным сетям / Проектирование и технология электронных средств.—№ 2, 2005. — С. 3840.

3. Грибакин В. С., Кочуров О. М., Селективный вольтметр для диаг-. ностики и контроля заземляющих устройств / Проектирование и технология электронных средств. — № 1, 2003. — С. 59-63.

4. Грибакин В. С., Кочуров О. М., Точность метода вольтметра-амперметра при наличии в каналах напряжения и тока селективных устройств / Проектирование и технология электронных средств. — № 2, 2004. — С. 72-74.

5. Новиков В. К., Кочуров О. М., Анализ эффектов конечной разрядности в цифровых рекурсивных фильтрах // Материалы 6-ой международной н.-т. конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации». — Владимир, 2005. — С. 238-239.

6. Кочуров О. М., Новиков В. К., Цифровой фазовый детектор на основе дискретного преобразования Гильберта // «Достижения ученых XXI века: 3-я международная научно-практическая конф. — Тамбов, 2007. — С. 124-126.

7. Галкин А1. А., Кочуров О. М:, © спектральной плотности мощности сигнала с частотной'манипуляцией // «Качество науки — качество жизни»: 3-я международная-научно-практическая конф. — Тамбов, 2007. — С. 116-120.

8. Галкин А. А., Кочуров О. М. Анализ вероятности ошибок в канале с угловой манипуляцией при сложных спектральных характеристиках помех // «Качество науки — качество жизни»: 3-я международная научно-практическая конференция. — Тамбов, 2007. — С. 120-123.

9. Кочуров О. М., Анализ вероятности ошибок в канале связи при воздействии детерминированных помех // Труды Владимирского государственного университета, Выпуск 1, Информационно-телекоммуникационные технологии и электроника, — Владимир: ВлГУ, 2006. — С. 30-33.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Кочуров, Олег Михайлович

Выводы

1. Цифровая реализация корреляционного приемника сводится к нерекурсивной фильтрации (4.1.3) и может быть реализована с применением широкого круга современных цифровых процессоров или однокристальных ЭВМ обработки сигналов.

2. В-разделе 4.3 проведен анализ влияния эффектов квантования, на условия работы цифрового1 корреляционного приемника. Анализ опирается на смешенную модель квантования, в которой полезный сигнал обрабатывается идеальным непрерывно-дискретным преобразователем, а аддитивный шум — нелинейным аналого-цифровым преобразователем. При этом были найдены закон распределения и числовые характеристики квантованного по уровню нормального случайного процесса, а также их зависимости от шага квантования.

Установлено, что при шаге квантования q = (2 . 5)<тп результат квантования практически также подчинен нормальному закону распределения. Его среднеквадратическое отклонение а'г определяется выражениями (4.3.4, 4.3.5, в).

Результаты анализа представлены в форме эквивалентного увеличения спектральной плотности мощности шума с учетом эффектов квантования.

3. Разработан алгоритм цифрового символьного синхронизатора на основе запаздывающего и опережающего стробирования. Новизна состоит в использовании простой формулы для вычисления показателя качества синхронизации (4.4.1) в реальном времени. Высокая помехоустойчивость достигается путем вычисления показателя качества по нескольким символам.

4. Сформулированы следующие рекомендации по реализации канало-образующей аппаратуры. а) С целью экономии ресурсов вычислительного устройства предлагается квантование сигнала выполнять на основе обобщенной теоремы Котель-никова для узкополосных сигналов (раздел 4.6). б) На основе результатов, полученных в разделе 4.3? установлено, что общий коэффициент передачи канала приемника должен обеспечить уровень сигнала на входе АЦП так, чтобы его ограниченная чувствительность не вызывала существенного увеличения спектральной плотности мощности шума. Выбор коэффициента передачи производится, опираясь на диаграмму 4.6. СКО сигнала на входе АЦП, равное, по крайней мере, единицам милливольт, потребует коэффициента усиления в пределах 10. Это даст эквивалентное увеличение спектральной плотности мощности менее 1 дБ/Гц.

В этой связи задача автоматической подстройки чувствительности после фильтрации не стоит, поскольку без доказательств ясно, что эффект насыщения АЦП или предшествующих звеньев, даст фактически сигнал в форме прямоугольной волны, что обеспечит очень высокое отношение сигнал/шум после демодуляции. Обнаружение сигнала высокой амплитуды, и прямоугольной формы будет выполняться абсолютно безошибочно. в) Рекомендована оптимальная длительность символа для эффективного подавления импульсных помех, равная половине периода промышленной сети. г) Указана возможность адаптивного выбора символьной скорости, что позволит добиться требуемого отношения сигнал/шум или высокой скорости передачи.

5. В разделе 4.9 даны методические указания по расчету и выбору параметров модулированного сигнала.

6. В разделе 4.10 проведено техническое обоснование целесообразности применения высокочастотной связи по электрической сети 380-660 В для передачи простых команд коммутационной аппаратуре и небольших объемов измерительной информации в составе станции приемо-сдаточных испытаний асинхронных двигателей.

Заключение

Обзор литературы по вопросам высокочастотной связи по электрическим распределительным сетям показал, что интерес к данному виду связи сохраняется, несмотря на интенсивное развитие доступных средств радиосвязи, ориентированных на различные приложения. Причина состоит в том, что данный вид связи сочетает преимущества проводных каналов, не требуя свободных радиочастот и позволяя сформировать пути распространения сигнала, с отсутствием необходимости прокладки дополнительных кабелей связи. Выявлено недостаточно полное освещение вопросов высокочастотной связи по электрическим распределительным сетям низкого напряжения в промышленных, офисных и бытовых зданиях.

Во второй главе показано, что наиболее точное описание низковольтных электрических распределительных сетей выполняется с использованием теории цепей с распределенными параметрами. В разделе 2.2 разработаны исчерпывающие указания по расчету первичных волновых параметров проводов и кабелей с учетом поверхностного эффекта и эффекта близости. Принимая во внимание возможности современной вычислительной* техники, рекомендовано отступить от традиционного применения таблично заданных функций. Вместо этого предложены удобные аналитические выражения. При этом исправлены неоднозначности и ошибки, встречающиеся в справочной литературе, как следствие стремления авторов упростить расчеты.

Установлено, что определяющее влияние на условия распространения высокочастотного сигнала оказывают не столько волновые свойства проводов и кабелей, сколько свойства нагрузок — потребителей электрической энергии. В разделе 2.3 проведена классификация нагрузок, в зависимости от характера их входного сопротивления высокочастотному сигналу и его зависимости от частоты. Решена задача эквивалентирования нагрузок, принадлежащих к каждой классификационной группе с точки зрения влияния на распространение высокочастотного сигнала. Новизной предложенных схем замещения является возможность их применения в широком диапазоне частот от единиц до сотен килогерц. Это достигается введением сложных зависимостей резистивных и индуктивных параметров схем замещения от частоты. Разработаны три основные схемы замещения. а) Последовательно-параллельная КЬ-схема предназначена для моделирования нагрузок, входное сопротивление которых имеет преимущественно активных характер. Данная схема замещения отражает процессы увеличения сопротивления и уменьшения индуктивности вследствие электрического поверхностного эффекта в проводниках и магнитного поверхностного эффекта в сплошных ферромагнитных телах. б) Цепочечная КЬС-схема замещения служит моделью электрических машин и трансформаторов, питающихся напряжением промышленной частоты. Модель учитывает электрический поверхностный эффект в проводниках обмоток, магнитный поверхностный эффект в тонких стальных листах, их влияние на активные потери и коэффициент связи обмоток, а также межвит-ковую емкость. Показано, что электрическая машина может проявлять емкостную реакцию на частотах выше 100 кГц, поскольку преобладать начинает проводимость, обусловленная межвитковой емкостью. в) Последовательно-параллельная схема замещения представляет собой простой резонансный контур и эквивалентирует множество источников-вторичного электропитания со звеном постоянного тока на входе. В данной модели не приняты во внимание зависимости сопротивления и индуктивности от частоты, поскольку входная проводимость носит преимущественно емкостной характер, а емкость, как известно, практически не зависит о частоты.

Предложенные схемы замещения не отражают процессов преобразования энергии напряжения промышленной частоты, поэтому могут использоваться лишь в диапазоне частот, представляющим интерес для задач связи.

Возможность практического применения разработанных моделей подтверждена результатами экспериментального исследования.

Проведенное теоретическое исследование процессов распространения высокочастотных сигналов по электрическим распределительных сетям показало, что емкостные нагрузки оказывают наибольшее влияние, поскольку приводят к появлению резонансов в линии и режимов, близких к режиму стоячих волн. Следует отметить большое разнообразие таких нагрузок и их чрезвычайно широкое распространение в электрических сетях бытовых и офисных зданиях.

В рамках проведенного экспериментального исследования характера электромагнитных помех в электрических распределительных сетях выявлено несколько их видов (раздел 2.5). а) Высшие гармоники промышленной частоты проявляются в диапазоне низких частот, не представляющем интереса с точки зрения высокочастотной связи. б) Флуктуационные помехи, носящие случайный характер, могут быть представлены случайным процессом с некоторой спектральной плотностью мощности. В сравнительно узком диапазоне частот, применяемом для-задач связи, чаще всего уровень спектральной плотности мощности меняется незначительно. в) Импульсные помехи с частотой следования промышленной сети, вызывающие интенсивный колебательный процесс на выходе фильтра приемника, оказывая существенное мешающее влияние на условия приема сигнала. г) Узкополосные помехи, спектральные свойства которых близки к гармоническому сигналу. Данный вид помех в частотной области может быть, представлен линейчатым спектром подобно высшим гармоникам промышленной сети. Однако частота первой гармоники относится к сверхзвуковому диапазону. Соответственно, спектральные линии гармоник таких помех удалены настолько, что в сравнительно узкий частотный диапазон, занимаемый сигналом, попадает лишь одна из них, чаще всего характеризующаяся незначительной мощностью.

В соответствии с результатами проведенного экспериментального исследования предложено представлять помехи в сети в виде суммы случайного процесса с некоторой спектральной плотностью мощности и коротких импульсов с частотой следования, равной частоте промышленной сети.

Разработана группа методик экспериментального исследования-таких характеристик, как затухания высокочастотного сигнала, входного сопротивления сети, входного сопротивления нагрузок, спектральных характеристик случайных помех (раздел 2.6). Все методики ориентированы на применении цифрового осциллографирования и дальнейшей цифровой обработки достаточно длительной последовательности дискретных отсчетов. Отличительной особенностью разработанных методик является преодоление основной трудности— неизбежности проведения измерений в присутствии напряжения промышленной частоты. При этом для отстройки от помех применяются методы цифровой фильтрации, дискретного преобразования Фурье и дискретного преобразования Гильберта.

Третья глава посвящена рассмотрению видов модулированных сигналов, применяемых в современной технике цифровой связи. Проведен сравнительный анализ их спектральных свойств, помехоустойчивости системы связи, построенной на их основе, а также аппаратных и программных затрат для приема сигнала.

На основе проведенного сравнительного анализа сформулированы формальные критерии, по которым канал высокочастотной связи по электрическим распределительным сетям отнесен к каналам с ограниченной мощностью, поскольку пропускная способность канала, прежде всего, ограничена отношением сигнал/шум, в отличие от каналов с ограниченной полосой частот. В этой связи для организации связи по рассматриваемому каналу рекомендовано применение многопозиционной частотной манипуляции. Использование фазовой манипуляции и методов расширения спектра на ее основе, в большинстве случаев оказывается нецелесообразным. В дальнейшем- рассматривается только многопозиционная частотная манипуляция, ортогональные сигналы, когерентные и некогерентные методы их приема.

Проведен теоретический анализ, позволяющий прогнозировать работу оптимального корреляционного приемника в условиях случайных помех со сложными спектральными характеристиками. Введено понятие эквивалентного белого шума.

Проведено теоретическое исследование помехоустойчивости корреляционного приемника в условиях гауссового белого шума и интенсивных импульсных помех, характерных для рассматриваемого канала связи. Были получены выражения для вероятностей ошибок в канале связи с гауссовым белым шумом в присутствии периодических импульсных помех. Предложен алгоритм численного интегрирования в бесконечных пределах с помощью новых методов, реализованных в среде программирования' МАТЪАВ. Результаты исследования представлены в виде формул для вычисления вероятности ошибок, программ вычислений по этим формулам и графиков.

В четвертой главе разработаны и теоретически обоснованы практические рекомендации по реализации приемника с учетом современного уровня развития цифровой и микропроцессорной техники.

В разделе 4.3 разработана нелинейная модель аналого-цифрового преобразователя, в которой полезный сигнал обрабатывается идеальным непрерывно-дискретным преобразователем, а аддитивный шум — нелинейным звеном. При этом были найдены закон распределения и числовые характеристики квантованного по уровню нормального случайного процесса, а также их зависимости от веса младшего значащего разряда АЦП.

Установлены границы среднеквадратического отклонения сигнала, при котором результат квантования практически подчинен нормальному закону распределения. В указанных границах эффекты квантования не препятствуют решению задачи и могут быть учтены через эквивалентное увеличение спектральной плотности мощности шума.

В разделах 4.4-4.9 разработан рад рекомендаций, представляющих практический интерес при реализации каналообразующей аппаратуры. а) Предложен алгоритм символьной синхронизации на основе метода запаздывающего и опережающего стробирования, новизна которого состоит в использовании простой формулы для оценки качества синхронизации в реальном времени. б) Предложен адаптивный алгоритм выбора символьной скорости, не требующий перестройки сетки частот, используемых для манипуляции. в) Указана,целесообразность квантования с применением приема субдискретизации на основе обобщенной теоремы Котельникова, что дает существенную экономию ресурсов вычислительного устройства. г) Рекомендован выбор длительности символа, равной половине периода сетевой частоты, что позволит минимизировать влияние импульсных помех, а также достичь высокой точности символьной синхронизации. д) На основе обобщенной структуры приемника и результатов исследования эффектов округления, даны рекомендации по построению усилительных, фильтрующих устройств, а также выбору разрядности аналого-цифрового преобразователя. е) Разработаны методические указания для расчета параметров сигнала на основе сформулированных требований системе передачи данных и известных свойств канала связи.

Следует заключить, что область применения канала по электрическим распределительным сетям ограничивается задачами автоматического управления, связанными с передачей небольших объемов информации на расстояния до нескольких сотен метров. Пропускная способность рассматриваемого канала связи, при которой в большинстве случаев можно гарантировать высокую достоверность, находится в пределах 600-9600 бит/с. Как аналоговая, так и цифровая обработка сигнала в установленном ГОСТ диапазоне частот 95-148,5 кГц не представляет трудности с использованием современной элементной базы. Это позволяет утверждать, что применение канала высокочастотной связи по электрическим распределительным сетям вполне экономически оправдано и технически целесообразно для решения ряда задач автоматики. Одним из примеров удачного применения рассматриваемого вида связи служит канал, соединяющий электроподстанцию с пультом станции приемосдаточных испытаний асинхронных машин.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кочуров, Олег Михайлович, 2009 год

1. Ракович Н. Н., Беспроводная передача данных / Радио, №10, 2002

2. Заборовский В., Подгурский Ю., Передача данных по линиям электропитания / Радио, №3, 2001.

3. Троицкий В. Н., Шур А. А, Особенности распространения радиоволн УВЧ и СВЧ диапазонов внутри зданий / Электросвязь, №8, 1998.

4. Подгурский Ю., Заборовский В., Технологии и компоненты передачи данных по линиям электропитания / Сети, №10, 1999.

5. Ишкин В. X., Микуцкий Г. В., Шкарин Ю. П., Высокочастотная связь по ВЛ в электроэнергетике / Электричество, №8, 1992.

6. Сирота И. М., Прохождение сигналов телеуправления по электрическим распределительным сетям / Электричество, №11, 1973.

7. Микуцкий Г. В., Скитальцев В. С., Высокочастотная связь по линиям электропередачи. — М.: Энергия, 1977. — 440 с.

8. Буденков Г. В:, Малышев А. И., Автоматика, телемеханика и передача данных в энергосистемах. — М.: Энергоатмиздат, 1988. — 336.

9. Смирнов В. Б., Ильин А. А. Передача сигналов по распределительным электрическим сетям (основы теории и расчета). — Киев: Гостехиздат УССР, 1963. —423 с:

10. Микуцкий Г. В. Каналы высокочастотной связи для релейной защиты и автоматики. — М.: Энергия, 1977. — 312 с.

11. Справочник по проектированию систем передачи информации в энергетике. Под ред. В. X. Ишкина. —2-е изд. — М.: Энергоатомиздат, 1991.— 264 с.

12. Пономарев А. М., Анализ параметров передачи сигналов тональной частоты по электрическим сетям / Электричество, №4, 1975.

13. Попов И. Н., Соотношения и закономерности при передаче сигналов тональной частоты по электрическим распределительным сетям / Электричество, №11, 1973.

14. Ефремов В. Е. Передача информации по распределительным сетям 635 кВ. — М: Энергия, 1971. — 160 с.

15. Кутузов С. И., Широков Н. Г., Параметры асинхронного двигателя как источника высших гармоник / Электричество, №1, 1988.

16. Белоус Б. П., Ефремов В. Е., Средства связи в электрических сетях — М.: Энергия, 1968. —232 с.

17. Яцышин В. И., Баталина Т. В., Обобщенные спектры гармонических помех в электрических сетях / Электричество, №10, 1987.

18. Быховский Я. Л., Основы теории высокочастотной связи по линиям электропередачи — M.-JL: Госэнергоиздат, 1963. — 184 с.

19. Костенко М. В., Перельман Л. С., Шкарин Ю. П., Волновые процессы и электрические помехи в многопроводных линиях высокого напряжения; — Л.: Энергия, 1973. — 272 с.

20. Буль Б. К. и др., Основы теории электрических аппаратов. Учебное пособие для вузов: Под ред;Буткевича В; Г.— М.: Высшая школа, 1970; — 700 с.

21. Семенов А. Н. и др., Измерение параметров процессов при замыкании и размыкании коммутационных аппаратов / Электричество, №5, 1981.

22. Жежеленко М. В., Шиманский О. Б., Электромагнитные помехи в системах электроснабжения промышленных предприятий: — К.: Высшая школа, 1986; — 119 с.

23. Буга Н. Н., Конторович В. Я. и др., Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств. Учебное пособие для вузов. — М.: Радио и связь, 1993: —240 с.

24. Певницкий В. П., Полозок Ю. В., Статистические характеристики индустриальных радиопомех. — М.: Радио и связь, 1988. — 248 с.

25. Электромагнитная совместимость и непреднамеренные помехи, вып. 1-3. Сост. Д. Уайт. — М.: Сов. радио, 1997-1999.

26. Петровский В; И., Седельников Ю: Е., Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств. — М.: Радио и связь, 1986. — 216 е.

27. Сеньков В. И. Высокочастотные помехи, создаваемые импульсными стабилизаторами напряжения. В кнл Электронная техника в автоматике: Сб. статей, вып. 13. — М.: Радио и связь, 1982. — 304 с.

28. Хабигер Э., Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике. —М.: Энергоатомиздат, 1995. — 305 с.

29. Жежеленко И! В., Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. —2-е изд. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 160 с.

30. Тудоровский Я. Л. О качестве электрической энергии в распределительных сетях городов / Электричество, №5,1981.

31. Векслер Г. С., Недочетов В. С. и др., Подавление электромагнитных помех в цепях электропитания. — К.: Техника, 1990. — 167 с.

32. Глазенко Т. А., Прогнозирование высокочастотных помех, создаваемых транзисторными широтно-импульсными преобразователями.

33. Быков Ю. М., Василенко В. С., Помехи в системах с вентильными преобразователями— М.: Энергоатомиздат, 1986. — 152 с.

34. Зелинская М. В., Недочетов В. С., Исследование помех, создаваемых источниками питания. В кн. Акустика и ультразвуковая техника. Республиканский межведомственный научно технический сборник. Выпуск 16. —К.:. Техника, 1981.

35. Зелинская М. В., Коваленко А. А. и др., Расчет кондуктивных помех импульсных источников электропитания. В кн. Акустика и ультразвуковая техника. Республиканский межведомственный научно технический сборник. Выпуск 16. — К.: Техника, 1981.

36. ГОСТ 13109-97 Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения; общего назначения.—М.: Издательство стандартов, 1997;

37. ГОСТ Р 51317.3.8-99 Совместимость технических средств электромагнитная. Передача сигналов по низковольтным; электрическим сетям; Уровни сигналов, полосы частот и нормы электромагнитных помех, М.: Издательство стандартов, 2000.

38. ГОСТ 30372-95 Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения. — М.: Издательство стандартов, 2001.

39. ГОСТ Р 51317.6.4-99 Совместимость технических средств электромагнитная. Помехоэмиссия от технических средств, применяемых в; промышленных зонах. Нормы и методы испытаний.—М.: Издательство стандартов, 2000.

40. Демирчян К. С., Нейман Л. Р. и др., Теоретические основы электротехники, т. 2. — СПб.: Питер, 2003. — 377 с.

41. Каганов 3. Г., Электрические цепи с распределенными параметрами и цепные схемы. М.: Энергоатомиздат, 1990 — 248 с.

42. Гроднев И. И., Верник С. М., Линии связи. — М.: Радио и связь, 1988.

43. Гроднев И. И., Шварцман В. О., Теория направляющих систем связи. М.: Связь, 1978.

44. Бейтман Г., Эрдейн М., Высшие трансцендентные функции. — М.: Наука, 1974. —295 с.

45. Демирчян К. С., Нейман Л. Р. и др., Теоретические основы электротехники, т. 3. — СПб.: Питер, 2003. — 576 с.

46. Говорков В. А. Электрические и магнитные поля. — М.: Энергия, 1968. —488 с.

47. Гроднев И. И., Кабели связи, изд. 2-е перераб. и доп.— М.: Энергия, 1976. —272 с.

48. Гумеля А. Н., Шварцман В. О., Электрически характеристики кабельных и воздушных линий связи. — М.: Связь, 1966. — 208 с.50: Евланов С. Н., Основьитехники проводной связи. — М.: Связь, 1968.— 408 с.

49. Инженерно-технический справочник по электросвязи. Кабельные и воздушные линии связи. М.: Связь, 1966. — 671 с.

50. Полехин С. И., Теория связи по проводам; изд. 3-е, испр. и доп. — М.: Связь, 1969. —376 с.

51. Электротехнический справочник, т. 1. Под ред. Герасимова. — М.: Изд-во МЭИ, 2003 — 440 с.

52. Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Корицкого. — М.: Энергоатомиздат, 1986.

53. Теоретические основы электротехники, т. 1, под ред. Ионкина П. А. М.: Высшая школа, 1976. — 544 с.

54. Йржи Л., Штафль М., Вихревые токи. — М.-Л.: Энергия, 1964. — 208 с.

55. Г. Корн, Т. Корн, Справочник по математике для научных работников и инженеров. — М.: Наука, 1970. — 720 с.

56. Калантаров П. Л., Цейтлин Л. А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. — Л.: Энергоатомиздат, 1986. — 488 с.

57. Абрамович М., Липман Д. и др., Справочник по специальным функциям с формулами графиками и математическими таблицами. — М.: Наука, 1979 —830 с.

58. Демирчян К. С., Нейман Л. Р. и др., Теоретические основы электротехники, т. 1. — СПб.: Питер, 2003. — 463 с.

59. Кулик Ю. А., Электрические машины.—М.: Высшая школа, 1966.— 328 с.

60. Лэнди Р., Дэвис Д., Албрехт А., Справочник радиоинженера. — Л.: Гос-энергоиздат, 1961.— 704 с.

61. Русин Ю. С., Чепарухин А. М., Проектирование индуктивных элементов приборов. — Л.: Машиностроение, 1981. — 172 с.

62. Ариллага Дж., Гармоники в электрических системах.—М.: Энерго-атомиздат, 1990. — 320 с.

63. Куско А., Качество энергии в электрических сетях. — М.: ДОДЭКА-XXI, 2008. —336 с.

64. Кочуров О. М., Новиков В. К., Цифровой фазовый детектор на основе дискретного преобразования Гильберта // «Достижения ученых XXI века: 3-я международная научно-практическая конференция. — Тамбов: «Тамбовпринт», 2007.

65. Нефедов В. И:, Хахин В. И., Метрология и электрорадиоизмереншгв;телекоммуникационных системах: Учебник для вузов. — М.: Высш. шк., 2001. —383 е.

66. Кушнир Ф. В., Савенко В. Г., Верник С. М., Измерения в технике связи. — М.: Связь, 1970. — 544 с.

67. Харкевич А. А., Спектры и анализ. Изд. 4-е. —М.: Издательство ЛКИ, 2007. — 240 с.

68. Сергеев А. Г., Крохин В. В., Метрология. — М.: Логос, 2001. — 408 с.

69. Льюнг Л., Идентификация систем. Теория для пользователя. —М.: Наука, 1991. —432 с.

70. Титце и У., Шенк К., Полупроводниковая схемотехника, Т. 2. — М.: До-дэка-ХХГ, 2008. — 942 с.

71. Марпл С. Л., Цифровой спектральный анализ и его приложения. — М.: Мир, 1990. — 547 с.

72. Рабинер Л., Гоулд Б., Теория и применение цифровой обработки сигналов. — М.: Мир, 1978. — 848 с.

73. Левин Б. Р., Теоретические основы статистической радиотехники. Кн. первая, изд. 2-е. —М.: Сов. радио., 1974. — 552 с.

74. Гоноровский И. С., Радиотехнические цепи и сигналы, изд. 5-е. — М.: Дрофа, 2006. — 719 с.

75. Макаров С. Б., Цикин И. А., Передача дискретных сообщений по радиоканалам с ограниченной полосой пропускания.—М.: Радио и связь, 1988. —304 с.

76. Спилкер Дж., Цифровая спутниковая связь. — М.: Связь, 1979. — 592 с.

77. Стейн С., Джонс Дж., Принципы современной теории связи и их применение к передаче дискретных сообщений. — М.: Связь, 1971. — 376 с.

78. Ван Трис Г., Теория обнаружения, оценок и модуляции, т. 2. — М.: Сов. радио, 1975. — 344 с.

79. Харисов В. Н., Минь Н. Д., Спектральные плотности радиосигналов, ма-нипулированных бинарными случайными последовательностями / Изв. Вузов СССР — Радиоэлектроника, №4, 1981, с. 92-95.

80. Харисов В. Н., Минь Н. Д., Корреляционная функция и спектральная плотность дискретных частотно-манипулированных радиосигналов с непрерывной фазой / Радиотехника и электроника, №1, 1983, с: 74-81.

81. Тихонов В: И., Статистическая радиотехника.—М.: Радио и связь, 1982. —624 с.

82. Proakis J. G., Digital Communications, 4th ed., New York, McGraw-Hill, 2001.

83. Галкин А. А., Кочуров О. M., Новиков В. К., О спектральной плотности мощности сигнала с частотной манипуляцией // «Качество науки — качество жизни»: 3-я международная научно-практическая конференция. — Тамбов: ОАО «Тамбовполитграфиздат», 2007.

84. Былянски П., Ингрем Д., Цифровые системы передачи. — М.: Связь, 1980. —360 с.

85. Скляр Б., Цифровая связь, изд. 2-е. — М.: Вильяме, 2003. — 1104 с.

86. Першин В. Т., Основы современной радиоэлектроники. — Ростов на Дону: Феникс, 2009. — 541 с.

87. Бесекерский В. А., Попов Е. П., Теория систем автоматического управления. — изд. 4-е. СПб.: Изд-во «Профессия», 2003. — 752 с.

88. Финк JI. М., Теория передачи дискретных сообщений, изд. 2-е.—М.: Сов. радио, 1970. — 728 с.

89. Френке JL, Теория сигналов. — М.: Сов. радио, 1970. — 728 с.

90. Витерби Э. Д., Принципы когерентной связи. — М.: Сов. радио, 1970. — 392 с.

91. Lindsey W. С., Simon M. К., Telecommunication Systems Engineering, New York, Dover Publications, Inc, 1991.

92. Вентцель Е. С., Теория вероятностей: учеб. для вузов. — 7-е изд. — М.: Высш. шк., 2001. — 575 с.

93. Выгодский М. Я., Справочник по высшей математике. — М.: ООО «Изд-во ACT», ООО «Изд-во Астрель», 2005. — 991 с.

94. Солонина А. И. и др, Основы цифровой обработки сигналов: Курс лекций. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005. — 768 с.

95. Сергиенко А. Б., Цифровая обработка сигналов: Учеб. для вузов — СПб.: Питер, 2006. —751 с.

96. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов.—М.: Техносфера, 2009. — 856 с.

97. Аналого-цифровое преобразование, под. ред. Кестера У.—М.: Техносфера, 2007. —1016 с.

98. Ю1.Лайонс Р., Цифровая обработка сигналов. — М.: «Бином-Пресс», 2006. — 656 с.

99. Джонсон Д., Джонсон Дж., МурГ., Справочник по активным фильтрам.— М.: Энергоатомиздат, 1983 — 128 с.