Устройство для высокочастотной передачи сетевых данных по линиям

Устройство для высокочастотной передачи сетевых данных по линиям

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к области передачи данных в энергетических системах и более точно касается устройства, позволяющего одновременно передавать и принимать сигналы цифровых данных с высокой скоростью и на большие расстояния по линиям электропередач и через трансформаторы линий электропередач, включая устройства переменного тока, постоянного тока, коаксиальные кабели и линии на основе витых пар.

Различные типы линий электропередач хорошо известны из уровня техники передачи данных в энергетических системах. Основными элементами известных линий электропередач являются оконечные устройства передачи и приема, которые включают один или большее количество линейных заградителей, один или большее количество соединительных конденсаторов и устройства соединения и настройки. Подробную информацию, относящуюся к описанию и типичной компоновке обычных линий электропередач, можно найти в публикации «Fundamentals Handbook of Electrical and Computer Engineering: Communication Control Devices and Systems», 1983, John Wiley & Sons, стр. 617-627 (Справочник по основам электрической и компьютерной техники: Устройства и системы управления передачей данных). Существенное ограничение линий электропередач известного уровня техники состоит в необходимости установки одного или большего количества линейных заградителей, одного или большего количества конденсаторов, одного или большего количества соединительных трансформаторов или гибридных цепей несущей частоты и частотных соединительных кабелей.

Все известные из уровня техники устройства соединения включают трансформатор с ферритовым или железным сердечником, который вызывает искажение сигнала из-за нелинейной фазовой характеристики функции передачи между передающим соединителем и приемным соединителем. Искажения создаются из-за наличия в сердечнике магнитного материала, который проявляет свойство гистерезиса. Для распределенных линий электропередач искажения получаются особенно значительными, поскольку сигнал должен проходить, по меньшей мере, через три таких нелинейных устройства: трансформатор распределения и два соединителя линии электропередачи, в которых используются трансформаторы с ферритовым сердечником. Искажения, вызванные этими нелинейными устройствами, приводят к искажениям типа групповой задержки, которые ограничивают скорость передачи данных.

Основной недостаток известных из уровня техники конструкций вызван использованием трансформаторов с ферритовыми или железными сердечниками в соединителях сигналов. Индуктивность LI первичной обмотки изменяется на некоторое неизвестное значение из-за нелинейности сердечника. Это приводит к нарушению настройки требуемой несущей частоты. Кроме того, теряется согласование импеданса первичной обмотки на требуемой несущей частоте с характеристическим импедансом линии электропередачи. Ввиду этого факта в других конструкциях была сделана попытка простой передачи сигнала по линии электропередачи с низким входным импедансом передатчика, используя соединительный конденсатор большой емкости (приблизительно 0,5 мкФ). Это привело к существенным потерям на соединении, составляющим до 20 dB на несущей частоте.

В находящейся на рассмотрении заявке данного изобретателя на американский патент номер 09/344,258 ("Заявка '258") описан новый соединитель с линейньм сдвигом фазы для линии электропередачи, телефонной линии, витой пары и коаксиальной линии, предназначенный как для передачи, так и для приема. Соединитель с линейным сдвигом фазы содержит новый трансформатор с воздушным сердечником или диэлектрическим сердечником, который может использоваться для передачи данных по телефонной линии, коаксиальной линии, в локальной сети и по линии электропередачи через трансформаторы линии электропередачи. Такой соединитель с линейным сдвигом фазы содержит используемый вместе с ним соединительный конденсатор сети для согласования сопротивлений до приблизительно самого меньшего известного значения характеристического импеданса линии и для обеспечения максимально стабильной передачи сигнала в линии. Его резонанс, по существу, создает полосовой фильтр на несущей частоте. Описание заявки '258 приводится здесь полностью в качестве ссылки.

Конструкция в соответствии с заявкой '258 позволяет решить многие проблемы предыдущих конструкций, в которых используются соединители на основе феррита или железа, которые резонируют с характеристическим импедансом линии электропередачи, что приводит к образованию провалов характеристики, утечки сигнала и формированию нелинейной среды для передачи данных по различным линиям, таким, как линии электропередачи.

Соединитель с линейным сдвигом фазы в соответствии с заявкой '258 не имеет провалов в полосе пропускания передачи данных, что позволяет производить линейную передачу данных в очень широком диапазоне частот.

Однако все еще остается потребность в системе передачи данных по электрической линии, которая позволяла бы производить одновременную передачу и прием цифровых сигналов данных, используя высокие частоты (например, 200 МГц-500 ГТц), позволяя, таким образом, производить передачу данных с высокой скоростью, используя широкие полосы пропускания, и на большие расстояния по линиям электропередач и через трансформаторы линий электропередач, включая устройства переменного напряжения, постоянного напряжения, коаксиальные кабели и линии на витых парах.

В первом варианте осуществления настоящее изобретение касается устройства передачи данных, предназначенного для передачи электрических сигналов по одной или более электрическим линиям, имеющим некоторый характеристический импеданс. Устройство передачи данных содержит: модулятор для модуляции электрических сигналов для получения сигнала, модулированного несущей, имеющей заранее заданную частоту, которая больше или равна 200 МГц, передатчик, электрически соединенный с модулятором, имеющим выходной импеданс, выполненный с возможностью передачи сигнала, модулированного несущей, и соединитель, подключенный между электрической линией и передатчиком и выполненный с возможностью согласования выходного импеданса средства передачи с характеристическим импедансом электрической линии и передачи сигнала, модулированного несущей, в электрическую линию без существенного искажения фазы.

Во втором варианте осуществления настоящее изобретение направлено на устройство передачи данных, предназначенное для передачи электрических сигналов по одной или большему числу электрических линий, имеющих некоторый характеристический импеданс, содержащее:

модулятор для модуляции электрических сигналов для получения сигнала, модулированного несущей, имеющей первую, заранее выбранную частоту, которая больше или равна 200 МГц;

передатчик, электрически соединенный с модулятором и имеющий выходной импеданс, выполненный с возможностью передачи сигнала, модулированного несущей;

первый соединитель, подключенный между электрической линией и передатчиком, с согласованием выходного импеданса передатчика с характеристическим импедансом электрической линии и передачи сигнала, модулированного несущей, в электрическую линию без существенных фазовых искажений, приемник, имеющий входной импеданс, приспособленный для принятия сигнала, модулированного несущей, демодулятор, электрически подключенный к приемнику, с возможностью производить сигнал, демодулированный несущей, имеющей вторую, заранее заданную частоту, большую или равную 200 МГц, путем демодулирования сигнала модулированной несущей и второй соединитель, подключенный между электрической линией и приемником для согласования входного импеданса приемника с характеристическим импедансом электрической линии и передачи сигнала, модулированного несущей, в приемник без существенного искажения фазы.

В третьем варианте воплощения настоящее изобретение касается устройства передачи данных, предназначенного для передачи электрического сигнала по одной или более электрическим линиям, имеющим характеристический импеданс, включающего первый модем, выполненный с возможностью производить первый сигнал, модулированный несущей, имеющей первую, заранее заданную частоту, большую или равную 200 МГц, и демодулирует второй сигнал, модулированный несущей, имеющей вторую, заранее заданную частоту, большую или равную 200 МГц, первый передатчик, имеющий выходной импеданс, причем указанный передатчик подключен к первому модему с возможностью передачи первого сигнала, модулированного несущей, первый приемник, имеющий входной импеданс, причем указанный приемник подключен к первому модему с возможностью принимать второй сигнал, модулированный несущей, первый соединитель, подключенный между электрическими линиями, первым передатчиком и первым приемником, с согласованием выходного импеданса первого передатчика и входного импеданса первого приемника с характеристическим импедансом электрических линий и передачи первого и второго сигналов, модулированных несущей, без существенного искажения фазы, второй модем, выполненный с возможностью производить второй сигнал, модулированный несущей, и демодулировать первый сигнал, модулированный несущей, второй передатчик, имеющий выходной импеданс, причем указанный передатчик подключен ко второму модему, с возможностью передачи второго сигнала, модулированного несущей, второй приемник, имеющий входной импеданс, причем указанный приемник подключен ко второму модему и с возможностью принимать первый сигнал, модулированный несущей, второй соединитель, подключенный между электрическими линиями и вторым приемником, с согласованием выходного импеданса второго передатчика и входной импеданс второго приемника с характеристическим импедансом электрических линий и передачей первого и второго сигналов, модулированных несущей, без существенного искажения фазы.

Приведенное выше краткое описание, а также следующее далее подробное описание предпочтительных вариантов настоящего изобретения будут более понятными при чтении совместно с прилагаемыми чертежами. Для иллюстрации изобретения на чертежах представлены варианты осуществления изобретения, которые являются предпочтительными в настоящее время. Следует, однако, понимать, что настоящее изобретение не ограничивается точными компоновками и схемными решениями, изображенными на чертежах. На чертежах одинаковые номера используются для обозначения одинаковых элементов.

Фиг.1 изображает график, иллюстрирующий характеристический импеданс соединителя в линии электропередач в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.2 - общую блок-схему сети с использованием передачи данных по линиям электропередач в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.3 - принципиальную схему полудуплексного модема линии электропередач в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.4 - принципиальную схему дуплексного модема линии электропередач в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.5 - блок-схему устройства передачи данных по линии электропередач в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.6 - принципиальную схему модулятора на первой частоте для использования в устройстве передачи данных по линии электропередач по фиг.5;

фиг.7 - принципиальную схему модулятора на второй частоте, предназначенного для использования в устройстве передачи данных по линии электропередач по фиг.5;

фиг.8 - принципиальную схему демодулятора на первой частоте для использования в устройстве передачи данных по линии электропередач по фиг.5;

фиг.9 - принципиальную схему демодулятора на второй частоте для использования в устройстве передачи данных по линии электропередач по фиг.5;

фиг.10 - принципиальную схему интерфейса Ethernet, предназначенного для использования в устройстве передачи данных по линии электропередач по фиг.5;

фиг.11 - принципиальную схему соединителя, предназначенного для использования в устройстве передачи данных по линии электропередач по фиг.5 на первом наборе частот;

Фиг.12 - принципиальную схему соединителя, предназначенного для использования в устройстве передачи данных по линии электропередач по фиг.5 на втором наборе частот; и

фиг.13 - схему источника питания, предназначенного для использования в устройстве передачи данных по линии электропередач по фиг.5.

Настоящее изобретение представляет собой усовершенствование соединителя с линейным сдвигом фазы по заявке '258. Было установлено, что использование более высоких частот (1-500 ГГц) в соединителе с воздушным сердечником или диэлектрическим сердечником, позволяет получить лучшие результаты, поскольку такой соединитель имеет более широкую полосу пропускания и может передавать сигналы на большие расстояния. Сигналы с более высокой частотой создают магнитное поле вокруг проводника любого типа и проходят вдоль поверхности линии электропередачи как магнитная волна и проходят через трансформаторы. Поэтому может быть обеспечена передача таких высокочастотных сигналов на большие расстояния с широкой полосой пропускания.

В контролируемой среде, такой, как коаксиальный кабель, сигнал высокой частоты 1 ГГц или больше проходит только на короткое расстояние и затем затухает. Это происходит из-за того, что коаксиальный кабель имеет электрические характеристики, представляющие собой фиксированную последовательную индуктивность L и параллельную емкость С, которые приводят к формированию эффективного фильтра нижних частот, который на определенном расстоянии ограничивает сигналы на всех частотах. Кроме того, коаксиальный кабель позволяет создавать только незначительное магнитное поле вокруг среднего проводника, поскольку он экранирован со всех сторон.

Другая среда представлена линиями электропередач, которые не просто проходят от одной точки к другой, но скорее имеют конфигурацию звезды. Линии электропередач не имеют фиксированные значения индуктивности и емкости (L и С) и поэтому представляют собой менее эффективные фильтры низких частот, чем коаксиальный кабель. Линии электропередач также не экранированы и поэтому проводник линии электропередачи может создавать большее магнитное поле вокруг проводника, чем в коаксиальном кабеле. Кроме того, характеристический импеданс Z₀ линии электропередачи изменяется по времени и месту положения, а также зависит от количества проводников, соединенных друг с другом, и изменяется в различных точках сети распределения электроэнергии. В соответствии с этим распространение электрических/магнитных полей цифровых сигналов по линиям электропередач не будет ограниченным и такие сигналы могут проходить дальше, чем в коаксиальном кабеле. Сигналы высокой частоты также могут проходить через трансформаторы линии электропередач, которые эквивалентны большому, подключенному параллельно конденсатору, без значительных потерь энергии сигнала, если используется согласование с линией электропередачи в соответствии с настоящим изобретением.

Соединитель, в соответствии с настоящим изобретением, является предпочтительным потому, что он может оставаться устройством согласования по отношению к характеристическому импедансу линии электропередач. Как и в заявке '258, соединитель, в соответствии с настоящим изобретением, содержит трансформатор с воздушным сердечником или диэлектрическим сердечником и соединительный конденсатор C_eq. Любое изменение импеданса первичной обмотки трансформатора незначительно отражается на характеристиках вторичной обмотки трансформатора и наоборот. Поэтому единственный импеданс, который можно определить со стороны линии электропередач, представляет собой импеданс первичной обмотки в резонансе с конденсатором C_eq. Такой последовательный резонанс создает низкий импеданс, значение которого будет близко к 1 Ом. При повышении частоты импеданс будет также увеличиваться, приблизительно до 100-200 Ом, в зависимости от того, какое значение импеданса лучше всего согласуется с характеристическим импедансом линии электропередачи и требуемой шириной полосы пропускания.

Например, на фиг.1 представлена кривая характеристического импеданса соединителя в линию электропередач. Если импеданс линии электропередач составляет 100 Ом на частоте F₁, то согласование соединителя по уровню 6 дБ будет составлять от 50 Ом (F₄) до 200 Ом (F₃), что составляет ширину полосы пропускания от F₃ до F₄. В отличие от этого, если характеристический импеданс линии электропередач составляет только 10 Ом, согласование по уровню 6 дБ будет составлять от 5 до 20 Ом, что приводит к получению меньшей ширины полосы пропускания. Снижение импеданса соединителя приводит к более широкому согласованию полосы пропускания на линиях электропередач с низким характеристическим импедансом (например, 10 Ом).

Как описано в заявке '258, существенное преимущество соединителя, в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой достигаемая линейность фазы. Линии электропередач имеют различные значения местного импеданса через каждые несколько футов на разных частотах. Наилучшее согласование с линией электропередачи может быть достигнуто, используя индуктивный (L) и емкостной (С) компоненты, которые не содержат ферритовые и железные сердечники, поскольку линии электропередач состоят из L и С. Кроме того, на каждом незаделанном конце линии происходит отражение. Соединители с ферритовым или железным сердечником также имеют собственные резонансы на частотах вблизи интересующей полосы пропускания передачи данных. Собственный резонанс и отражение в линии электропередач создают провалы в характеристике с переменной полосой. В отличие от этого собственный резонанс соединителя с воздушным сердечником или диэлектрическим сердечником, в соответствии с настоящим изобретением, возникает на гораздо более высокой частоте, чем интересующий частотный диапазон, и соединитель с воздушным сердечником согласуется с местным характеристическим импедансом линии электропередач. Поэтому отражение не создает провалов в интересующей полосе частот.

Полоса пропускания шириной от 6 до 10 дБ, что достигается при использовании соединителя, в соответствии с настоящим изобретением, для согласования с линией электропередач. Такое согласование может быть достигнуто, когда характеристический импеданс линии электропередач находится в диапазоне от половины первичного импеданса соединителя до двойной величины первичного импеданса соединителя. Например, первичный импеданс соединителя может быть в диапазоне от 1 до 100 Ом для полосы частот: 18-30 МГц. Предполагая, что импеданс линии электропередач составляет 50 Ом на частоте 22 МГц и 10 Ом на частоте 20 МГц, вблизи 20 МГц получим согласование величиной от 25 до 100 Ом, которое перекроет диапазоны частот от приблизительно 21 до 30 МГц. Предполагая, что первичный импеданс соединителя на частоте 20 МГц составляет приблизительно 20 Ом, согласование будет получено от 18 до приблизительно 22 МГц. Полное согласование будет обеспечено в полосе частот от 18 до 30 МГц по уровню 10 дБ, и в этой полосе не будет каких-либо провалов.

Линии электропередач обычно имеют импеданс от 50 до 100 Ом для подземных линий и от 100 до 500 Ом для воздушных линий электропередач. Однако автоматические выключатели и подземные подстанции с большим количеством распределительных линий электропередач могут создавать в местах их расположения характеристический импеданс линии, равный всего лишь 1 Ом. Соединитель имеет такую конструкцию, которая позволяет настроить на наиболее часто встречающееся значение импеданса различных частей линии электропередач. Например, если характеристический импеданс линии электропередачи составляет 80 Ом, то согласование на уровне 6 дБ может быть получено с помощью соединителя с воздушным сердечником, в соответствии с настоящим изобретением, с импедансом от 40 до 160 Ом в любом месте положения. Линия электропередачи должна быть согласована в данном месте, поскольку местный импеданс линии электропередач изменяется через каждые несколько футов. Поскольку характеристический импеданс линии электропередач с напряжением 120 В, как известно, составляет, например, 80 Ом, импеданс 80 Ом обеспечит хорошее согласование в любом месте положения.

Поскольку вторичный импеданс при изменении характеристического импеданса линии электропередачи изменяется незначительно, согласование передатчика и приемника может быть получено на уровне приблизительно 50 Ом. Обе стороны трансформатора согласуются независимо от изменения импеданса линии электропередач. Вторичная обмотка трансформатора согласуются по передатчику или приемнику. Изменение импеданса первичной обмотки трансформатора не отражается на вторичной обмотке. Поэтому согласование на уровне 45-50 Ом для трансформатора и приемника осуществляется всегда независимо от изменения импеданса линии электропередачи.

Для более высоких частот (например, 200 МГц-500 ГГц) структура трансформатора с воздушным сердечником или диэлектрическим сердечником отличается от заявленной в заявке '258. Соединитель больше не может представлять собой два коаксиальных соленоида или воздушные катушки с различным диаметром, обернутые магнитным проводником, но вместо этого имеет гораздо меньшие размеры и похож на микросхему, которая заполнена любым типом пластика или неэлектропроводного материала, такого, как смола, клей, керамика или любой другой твердый неэлектропроводный материал ("материал микросхемы"). Соединитель предпочтительно содержит очень тонкие электропроводные пластины, разделенные материалом микросхемы. Эти пластины предпочтительно изготовлены из меди, но также могут быть изготовлены из серебра, золота или любого другого проводящего материала, независимо от того, являются ли они активными или пассивными. Пластины могут иметь любую форму (например, квадратную, прямоугольную, круглую и т.д.), но предпочтительно имеют круглую. Размер таких слоистых трансформаторов с воздушным сердечником зависит от используемой частоты. Например, диаметр первичной обмотки соединителя для частоты 30 ГГц будет менее 1 мм, толщина слоя будет меньше, чем приблизительно 0,5 мм, что позволяет получить индуктивность величиной 0,3 нГн. Аналогично размеры тонкой прямоугольной медной пластины будут составлять приблизительно несколько миллиметров в длину, 0,1 миллиметр в толщину, и первичная и вторичная индуктивности будут разделены на расстоянии приблизительно 0,5 миллиметров друг от друга и расположены одна поверх другой. Соответственно такие устройства будут иметь вид очень небольшого конденсатора. Однако в настоящем изобретении используются значения индуктивности, соединенные непрерывной цепочкой, для получения резонанса с конденсатором для согласования с характеристическим импедансом линии электропередач.

В альтернативном варианте пластины могут быть сформированы непосредственно в микросхеме путем осаждения металлических слоев или с помощью легирования кремния. Легированный кремний является электропроводным, когда он активен, например, когда определенный уровень постоянного электрического напряжения осуществляет включение транзистора, превращая его в активное устройство. При этом пластины, когда они сформированы из легированного кремния, могут образовывать активное устройство определенного типа, такое, как транзистор или диод. Специалисту понятно, что и другие конструкции трансформаторов с воздушным сердечником или диэлектрическим сердечником могут использоваться без отхода от объема и сущности настоящего изобретения. Например, в качестве трансформатора с воздушным диэлектриком может использоваться отрезок коаксиального кабеля. Экран коаксиального кабеля представляет собой первичную обмотку трансформатора, и внутренний провод будет представлять собой вторичную обмотку трансформатора. Такой трансформатор с воздушным сердечником коаксиального типа может использоваться для передачи данных на очень высокой частоте, более 500 МГц. Аналогично две медные или железные трубки (или алюминиевые, или изготовленные из медной фольги) могут быть помещены одна внутри другой. При этом внешняя трубка или фольга представляет собой первичную обмотку трансформатора с воздушным сердечником, внутренняя трубка или фольга представляет собой вторичную обмотку. Такая конструкция также может использоваться на частотах более 100 МГц.

Кроме того, в последнее время были проведены работы по созданию твердотельных трансформаторов для преобразования среднего переменного напряжения порядка 7,6 кВ в переменное напряжение 120 В с использованием технологии, аналогичной используемой в импульсных регуляторах для преобразования постоянного напряжения. Используемая в этих твердотельных трансформаторах технология называется регулированием с вентильным приводом на транзисторных схемах вентильного привода и является широко известной, поэтому нет необходимости подробно описывать ее в данном описании. Такие трансформаторы разработаны с использованием так называемой "твердотельной технологии". Они основаны, прежде всего, на полупроводниковых компонентах, таких, как транзисторы и интегральные схемы, вместо тяжелых медных обмоток и железных сердечников обычных трансформаторов. Такие твердотельные трансформаторы также могут использоваться в соединителях в соответствии с настоящим изобретением. Для специалистов в данной области техники также будет понятно, что другие, более простые интегральные схемы также можно использовать для создания трансформаторов, предназначенных для использования в соединителях в соответствии с настоящим изобретением. Современные интегральные схемы, в которых используются активные транзисторы, могут имитировать и/или создавать трансформатор с воздушным сердечником, который имеет необходимое значение индуктивности и емкости, который работает в точности, как обычный трансформатор с воздушным сердечником.

Хотя структура соединителя, описанного выше, отличается от описанной в заявке '258, функция соединителя будет той же. Пластины (или трубки, или фольга) соединителя, в соответствии с настоящим изобретением, имеют индуктивное и емкостное соединение, образующее трансформатор с воздушным сердечником или диэлектрическим сердечником. Соединение первичной и вторичной обмоток трансформатора, однако, изменяется в зависимости от частоты. Первичная и вторичная обмотки соединены по существу одинаково с точки зрения магнитного и электрического поля (т.е. имеют емкостное и индуктивное соединение) на частоте менее 100 МГц и имеют в большей степени индуктивное соединение (магнитное) на частотах более 100 МГц. При частотах порядка 100 ГГц первичная и вторичная обмотки трансформатора будут, в основном, соединены индуктивно.

Как подробно описано в заявке '258, устройство передачи данных по заявке '258 имеет множество применений. Высокочастотные соединители, в соответствии с настоящим изобретением, позволяют производить передачу данных с гораздо более высокой скоростью. Например, в настоящем изобретении может использоваться верхняя несущая частота порядка 200 МГц - 50 ГГц для передачи по линиям электропередачи. Используя технологию соединителя с воздушным сердечником или диэлектрическим сердечником, в соответствии с настоящим изобретением, может быть достигнута скорость передачи данных по линиям электропередачи, по меньшей мере, 1 Гбит/с.

Рассмотрим фигуры чертежей, на которых одинаковые номера обозначают одинаковые части на нескольких изображениях. На фиг.2 изображена общая блок-схема сети (WAN) передачи данных по линии электропередач в соответствии с настоящим изобретением.

Маршрутизатор 12 Ethernet (стандарт организации локальных сетей) подключен к магистральной сети, такой как Internet (глобальная сеть компьютерных ресурсов) или Intranet (корпоративная локальная сеть), с использованием HUB (концентратор - сетевой аппаратный узел) или переключателя (не показан), таких, как трехслойная линия Nu Wave, производства компании Network Peripheral. Маршрутизатор 12 также подключен к модему 14 линии электропередач, который, в свою очередь подключен к соединителю 16 линии среднего напряжения и который передает сигналы от модема 14 через линию 18 электропередач с напряжением в 11 кВ на подстанцию 20.

Для специалистов в данной области техники будет понятно, что маршрутизатор 12 Ethernet может быть подключен с другими устройствами в других приложениях, без отхода от объема и сущности настоящего изобретения. Например, другие приложения включают (1) глобальную сеть Ethernet с другими серверами, где магистраль сети соединена с другой сетью; (2) приложение телефонных услуг, в которой магистраль сети соединена с телефонным центром и мультиплексором с разделением времени, что обеспечивает организацию множества телефонных линий по линии электропередач; и (3) телевизионное приложение, где магистраль сети соединена с телевизионной широковещательной станцией, что обеспечивает передачу цифровым способом по линии электропередач сигналов нескольких телевизионных станций.

Маршрутизатор 12 Ethernet представляет собой стандартный маршрутизатор Ethernet. Модем 14 линии электропередач через соединитель 16 линии электропередач среднего напряжения модулирует и демодулирует сигналы Ethernet, передавая их в линию 18 электропередачи с напряжением 11 кВ. Конструкция модема 14 линии электропередач подробно описана ниже. Соединитель 16 линии электропередачи среднего напряжения предпочтительно имеет приблизительно высоту 0,5 метра и диаметр 0,2 метра, помещен в керамический изолятор и залит смолой. Для соединителя предпочтительно используются трансформаторы с диэлектрическим сердечником, которые, как описано выше, могут иметь форму двух небольших пластин, уложенных как конденсатор друг на друга для работы на высокой частоте. Конечно, любые другие конструкции высокочастотного трансформатора, описанные выше, также могут использоваться в соединителе 16 линии электропередач среднего напряжения без отхода от объема и сущности настоящего изобретения.

Высокочастотный сигнал, предпочтительно сигнал Ethernet 10 Мбит/с распространяется в виде магнитных волн по линиям 18 электропередач и через один или большее количество распределительных трансформаторов 22, 24 и поступает на линии 26 электропередач с низким напряжением 110-220 В. Сигнал снимается с помощью одного или большего количества модемов линии электропередач через соединитель 28 низкого напряжения. Соединители 28 низкого напряжения и модемы 14 линии электропередач предпочтительно установлены на линиях 26 электропередач низкого напряжения перед счетчиком потребления энергии (не показан) на входе в здание 30. Модемы 14 линии электропередач идентичны модемам 14 линии электропередач, подключенным к линиям 18 электропередач. Соединители 28 низкого напряжения могут иметь конструкцию, описанную в заявке '258, и имеют меньшие размеры, чем соединители 16 линии электропередач среднего напряжения.

В соединителях 28 низкого напряжения используются высокочастотные трансформаторы с воздушным сердечником и диэлектрическим сердечником, как описано выше.

Переключатели 32 Ethernet (HUB) подключены к модемам 14 линии электропередач. Переключатели 32 Ethernet распределяют данные Ethernet по линиям электропередач в здание 30, используя локальную сеть (LAN), с передачей данных по линии электропередач в соответствии с настоящим изобретением, как описано ниже.

Все модемы 14 линии электропередач предпочтительно используют частоту 1,35 ГГц как для передачи, так и для приема. Сигналы с такой несущей частотой проходят через распределительные трансформаторы 22, 24 из линии 18 электропередач среднего напряжения (от 7 до 35 кВ) в линии 26 низкого напряжения (от 110 до 240 В) в здание 30. Данные Ethernet со скоростью 100 Мбит/с или 10 Мбит/с могут передаваться с использованием этой несущей частоты. Для специалистов в данной области техники будет понятно, что другие несущие частоты, такие, как 2,7 или 3,5 ГГц также могут использоваться без отхода от объема и сущности настоящего изобретения.

В альтернативном варианте осуществления несущая частота 30 ГГц или выше может использоваться для передачи данных Ethernet со скоростью 10 МГб/с, 100 МГб/с или 1 Гб/с. Когда используется несущая частота такой величины, глобальная сеть (WAN) передачи данных по линии электропередач, в соответствии с настоящим изобретением, позволяет передавать данные от подстанции 20 в здание 30 без задержки на счетчиках потребления электроэнергии, расположенных снаружи здания 30. Поэтому на линиях 26 электропередач низкого напряжения не требуется размещать модемы 14 линии электропередач и низковольтные соединители 28 до счетчиков потребления энергии (не показаны) на входе в здание 30. Более того, модемы 14 линии электропередач и низковольтные соединители 28 могут быть установлены внутри здания 30.

Для специалистов в данной области техники также будет понятно, что, хотя настоящие варианты осуществления описаны с использованием протокола Ethernet для передачи и приема данных, любой другой протокол передачи данных может использоваться с глобальной сетью (WAN) передачи данных по линии электропередач в соответствии с настоящим изобретением без отхода от объема и сущности настоящего изобретения.

На фиг.3 изображена принципиальная схема предпочтительной на настоящий момент времени конфигурации модема 14 линии электропередач. Физический интерфейс 38 Ethernet подключает модем 14 линии электропередач с картой к Ethernet или HUB или повторителем (не показан) и может содержать любое соответствующее соединение, включая соединение на витой паре. Данные Ethernet (например, данные, закодированные с помощью манчестерского кода) передаются из интерфейса 38 в ЦПУ 40, такое, как Motorola MPC855T, которое преобразует закодированные данные в интерфейс 42 параллельной шины и наоборот. Запоминающее устройство 44 используется для создания буфера для данных интерфейса 42 параллельной шины.

Программируемая пользователем вентильная матрица 46 (FPGA), предпочтительно типа Xilinx Virtex XCV100-FG256, соединяет интерфейс 42 параллельной шины и обеспечивает управление модемом 14 линии электропередач, а также выполняет модуляцию и демодуляцию данных, которые соответственно передаются и принимаются. Стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство 48 (EPROM) записывает инструкции программы для матрицы 46 и ЦПУ 40. Матрица 46 управляет переключателем 36 передачи/приема, который подключен к соединителю 34 и линиям 48 электропередач, по которым передаются данные от модема 14 линии электропередач. Интерфейс соединителя 34 в линии 48 электропередач, а также структура соединителя 34 подробно поясняются в заявке '258. Однако, как указано выше, в соединителе 34 должен использоваться высокочастотный трансформатор с воздушным сердечником или диэлектрическим сердечником, в соответствии с настоящим изобретением.

Для передачи сигналов в матрицу 46 и из нее сформированы соответствующие соединения. При передаче сигнал выходит из матрицы 46 и проходит через аналогово-цифровой (A/D) преобразователь 50. Преобразование с повышением несущей частоты выполняется с помощью смесителя 58 и местного гетеродина 52. Усилитель 56 и фильтры 54 используются для соединения полученного в результате сигнала с соединителем 34. Аналогично при приеме сигнал проходит через фильтры 54 и усилители 56 и преобразуется с понижением частоты с помощью смесителя 58 и местного гетеродина 52. Автоматическая регулировка усиления (АРУ) выполняется с помощью цепи 62 АРУ, и затем производится оцифровка сигнала с помощью аналогово-цифрового (A/D) преобразователя 60 для передачи в матрицу 46. Модем линии электропередачи по фиг.3 представляет собой полудуплексный модем так, что для передачи и приема используется одна и та же несущая частота. Для специалистов в данной области техники будет понятно, что АРУ и преобразования вверх и вниз по частоте с помощью смесителя могут выполняться с помощью матрицы 46, без необходимости использования дополнительных элементов схемы.

Матрица 46 может быть запрограммирована на использование любого типа требуемой модуляции. Хотя предпочтительно используется частотная модуляция, матрица 46 может быть запрограммирована на использование частотной манипуляции, фазовой манип