Устройство кодирования, приема и передачи цифровой информации по электрическим сетям

Устройство кодирования, приема и передачи цифровой информации по электрическим сетям

Реферат

Изобретение относится к электросвязи и электротехнике, а именно к системе передачи и приема информации, в частности к системам передачи и приема информации по силовым электрическим сетям.

Известно устройство широкополосной передачи и приема информации по электросетям (RU 2216853 C2), содержащее на передающей стороне управляющий блок передатчика, модулятор, кодер канала и генератор хаотического сигнала, на приемной стороне - фильтр, усилитель, интегратор, управляющий блок приемника и решающий блок приемника, а также фильтр присоединения к электросети передающей и приемной сторон.

Известно предназначенное для передачи и приема информации преимущественно по силовым линиям электросети устройство для передачи и приема информации (RU 2232465 C2), на передающей стороне которого находится блок предварительной обработки информации, передатчик, генератор синусоидального напряжения, блок управления режимом передачи, первый блок синхронизации, блок задания мощности, преобразователь напряжения и блок для запоминания напряжения и формирования дельта-импульсов, а на приемной стороне устройство содержит согласующий блок, приемник, блок коррекции чувствительности, блок обработки информации, блок управления режимом приема и второй блок синхронизации.

Однако в данных устройствах низка скорость передачи информации по линии связи, что определяется выбранным в них методом квантования передачи.

Известны устройства, в частности устройство кодирования, приема и передачи цифровой информации по двухпроводной линии связи (RU 96112687/09).

Данное устройство включает в себя передающую и приемную части.

Передающая часть включает в себя преобразователь логического сигнала в дифференциальный, выходы которого соединены с входами кодера, причем прямой выход преобразователя логического сигнала в дифференциальный соединен через первый и второй резисторы с входом управления первого ключа, первого конденсатора, включенного между прямым выходом преобразователя логического сигнала в дифференциальный и входом управления первого ключа, инверсный выход преобразователя логического сигнала в дифференциальный соединен через третий резистор и второй конденсатор с входом управления второго ключа, выходы первого и второго ключей объединены в общую точку с минусом источника питания, вход первого ключа соединен с началом первой первичной обмотки устройства согласования и развязки, выход источника питания соединен с началом и концом соответственно второй и первой первичной обмотки устройства согласования и развязки, прямой выход преобразователя логического сигнала в дифференциальный соединен через последовательно включенные четвертый резистор, первый диод с входом второго ключа, инверсный выход преобразователя логического сигнала в дифференциальный соединен через последовательно включенный пятый резистор, второй диод с входом управления первого ключа, третий конденсатор включен между минусом источника питания и анодом первого диода, четвертый конденсатор включен между минусом источника питания и анодом второго диода.

Приемная часть включает в себя приемник - декодер, состоящий из компаратора, прямой выход которого соединен через резистор с началом первой выходной обмотки устройства согласования и развязки, инверсный вход компаратора соединен через резистор с концом первой выходной обмотки устройства согласования и развязки, между прямым входом и прямым выходом компаратора включен резистор, между инверсным входом и инверсным выходом компаратора включен резистор, устройство блокировки состоит из диода, включенного анодом к аноду первого диода, а катодом к входу третьего ключа и общую точку первого и второго резисторов, вход третьего ключа соединен с минусом источника питания, причем вход управления ключа соединен с выходом управляющего устройства.

Это устройство может применяться, судя по описанию, для передачи цифровой информации по двухпроводной линии, предназначенной только для передачи информации, т.е. выполненной или используемой только для этих целей, и не может быть использовано для передачи информации по силовой электрической сети, в том числе по кабельным линиям, находящимся под высоким напряжением.

В данном устройстве отсутствует проверка принимаемой информации на достоверность, что уменьшает помехозащищенность устройства, а в итоге может приводить к приему ошибочной информации, что для цифрового потока особо критично.

Задачей изобретения является повышение помехозащищенности и достоверности принимаемой цифровой информации при условии передачи информации по электрическим сетям.

Поставленная задача решается следующим образом: устройство кодирования приема и передачи цифровой информации по электрическим сетям, содержащее преобразователь сигнала, снабженный, по крайней мере, двумя выходами, вход которого является информационным входом устройства, передатчик, снабженный двумя выходными ключами, приемник, содержащий детектор и компаратор, устройство согласования и развязки, включающее трансформатор с четырьмя обмотками, причем выходная обмотка подключена к электрической сети, приемная обмотка подключена к входу приемника, а две другие - к выходу передатчика, причем передатчик дополнительно оснащен двумя усилителями, выходы которых соединены с выходными ключами, а входы соединены с выходами преобразователя сигнала. Детектор оснащен двумя диодами, сумматором, инвертирующим и неинвертирующим усилителями, входы которых соединены через диоды с приемной обмоткой трансформатора устройства согласования и развязки, а выходы соединены с входами сумматора, причем выход сумматора соединен с входом компаратора, а приемник оснащен блоком проверки на достоверность полученной информации, вход которого соединен с выходом компаратора, дополнительный выход соединен с дополнительным входом преобразователя сигнала, а другой выход является информационным выходом устройства в целом. Приемник также дополнительно снабжен цифроаналоговым преобразователем, причем входы цифроаналогового преобразователя подсоединены к дополнительным выходам регулировки уровня срабатывания компаратора блока проверки на достоверность полученной информации, а выход подсоединен к входу управления компаратора. Выходная обмотка устройства согласования и развязки соединена с электрической сетью через высоковольтный разделительный конденсатор.

Предлагаемое устройство кодирования, приема и передачи цифровой информации по электрическим сетям иллюстрируется чертежом, на котором представлена блок-схема устройства.

1 - преобразователь сигнала

2 - усилитель

3 - выходной ключ

4 - демпфирующий диод

5 - резистор

6 - первая обмотка трансформатора 7

7 - трансформатор

8 - усилитель

9 - выходной ключ

10 - демпфирующий диод

11 - резистор

12 - вторая обмотка трансформатора 7

13 - диод

14 - приемная обмотка трансформатора 7

15 - инвертирующий усилитель

16 - диод

17 - неинвертирующий усилитель

18 - сумматор

19 - компаратор

20 - блок проверки на достоверность полученной информации

21 - цифроаналоговый преобразователь

22 - выходная обмотка трансформатора - 7

23 - высоковольтный разделительный конденсатор

Передающая часть устройства состоит из преобразователя сигнала - 1, один выход которого соединен через усилитель - 2 с выходным ключом - 3, к выходу которого подключен катод демпфирующего диода - 4 и соединен через резистор - 5 с первой обмоткой - 6 трансформатора - 7, а второй выход преобразователя сигнала - 1 соединен через усилитель - 8 с выходным ключом - 9, к выходу которого подключен катод демпфирующего диода - 10 и соединен через резистор - 11 со второй обмоткой - 12 трансформатора - 7. Вторые выходы ключей 3 и 9, а также аноды демпфирующих диодов 4 и 10 соединены с минусом источника питания, а конец первой и начало второй первичных обмоток (6 и 12) трансформатора - 7 соединены с плюсом источника питания.

Приемная часть устройства включает в себя детектор, который состоит из диода - 13, катод которого соединен с началом приемной обмотки - 14 трансформатора - 7, а анод - с входом инвертирующего усилителя - 15 и диода - 16, анод которого соединен с началом приемной обмотки - 14 трансформатора - 7, а катод - с входом неинвертирующего усилителя - 17. Конец приемной обмотки соединен с минусом источника питания. Выход инвертирующего усилителя - 15 подключен на один из входов сумматора - 18, а выход неинвертирующего усилителя - 17 подключен на другой вход сумматора - 18. Выход сумматора - 18 подключен к входу компаратора - 19. Выход компаратора - 19 соединен с входом блока проверки на достоверность полученной информации - 20, который подключен к цифроаналоговому преобразователю - 21, выход которого соединен с входом управления компаратора - 19. Выход блока проверки на достоверность полученной информации - 20 является информационным выходом устройства.

Дополнительный вход преобразователя сигнала - 1 соединен с дополнительным выходом блока проверки на достоверность полученной информации - 20.

Выходная часть устройства состоит из выходной обмотки - 22 трансформатора - 7, соединенной через высоковольтный разделительный конденсатор - 23 устройства согласования и развязки с электрической сетью.

Передающая часть устройства работает следующим образом. Передаваемый цифровой сигнал поступает на преобразователь сигнала - 1.

Так как преобразователь сигнала - 1 имеет внутренние регистры памяти и арифметико-логическое устройство, он запрограммирован так, что при получении последовательной цифровой информации разбивает ее на отдельные фрагменты, равные длительности Т, затем рассчитывает сумму единичных бит текущего фрагмента цифровой информации для получения значения контрольной суммы. Далее преобразователь сигнала - 1 формирует кадр передаваемой информации в следующей последовательности: старт-бит, представляющий собой единичный бит удвоенной длительности, затем передаваемый фрагмент цифровой информации и контрольная сумма. Длительность информационных бит в кадре уменьшается так, чтобы время получившегося кадра составляло не более Т, в результате чего весь получившийся кадр передаваемой информации ужимается по времени.

Так как преобразователь сигнала - 1 не может генерировать двуполярный сигнал, то выходной сигнал логически разбивается на два сигнала положительной полярности. При передаче логической «1» данного кадра на выходе преобразователя сигнала - 1 формируется модулированный сигнал. Причем на первом выходе преобразователя сигнала - 1 генерируются периодические импульсы, частота следования которых равна выбранной несущей частоте и скважностью равной единице, а на втором выходе преобразователя сигнала - 1 генерируются такие же импульсы, но с запаздыванием на время, равное половине периода несущей частоты. При передаче же логического «0» на выходе преобразователя сигнала - 1 сигнал отсутствует.

Сигналы поступают, соответственно, на усилитель - 2 и усилитель - 8 передатчика, где усиливаются по току и напряжению до необходимого уровня для управления выходными ключами - 3 и 9 передатчика. Выходные ключи передатчика - 3 и 9 служат для раскачки трансформатора - 7 устройства согласования и развязки. Для того чтобы ключи передатчика не вышли из строя под воздействием напряжения ЭДС самоиндукции трансформатора - 7 устройства согласования и развязки, на их выходе подключены демпфирующие диоды - 4 и 10. Причем их аноды и вторые выходы выходных ключей - 3 и 6 передатчика подключены к минусу источника питания. Конец первой и начало второй обмоток трансформатора - 7 устройства согласования и развязки соединены с плюсом источника питания. Резисторы - 5 и 11 передатчика служат для ограничения максимального тока выходных ключей - 3 и 6 передатчика. На выходной обмотке - 22 трансформатора - 7 устройства согласования и развязки во время открывания первого ключа - 3 передатчика формируется положительная полуволна модулированного сигнала, а во время открывания второго ключа - 9 передатчика - отрицательная. С выходной обмотки - 22 трансформатора - 7 устройства согласования и развязки сигнал через высоковольтный разделительный конденсатор - 23 поступает в электрическую сеть, которая является линией связи.

Приемная часть устройства работает следующим образом. Принимаемый сигнал с электрической сети через высоковольтный разделительный конденсатор - 23 передается на выходную обмотку - 22 трансформатора - 7 устройства согласования и развязки. Ввиду трансформаторной связи между обмотками трансформатора - 7 на приемной обмотке - 14 трансформатора - 7 устройства согласования и развязки также будет присутствовать принимаемый сигнал, который поступает на диоды - 13 и 16. Диод - 13 подключен катодом к приемной обмотке - 14 трансформатора - 7 устройства согласования и развязки, поэтому через него проходит только сигнал отрицательной полярности, который усиливается и инвертируется инвертирующим усилителем - 15. По прохождении инвертирующего усилителя - 15 сигнал отрицательной полярности становится усиленным по напряжению сигналом положительной полярности. Диод - 16 неинвертирующего усилителя подключен анодом к приемной обмотке трансформатора - 7 и пропускает только импульсы положительной полярности, которые усиливаются неинвертирующим усилителем - 17. Таким образом, на входы сумматора - 18 поступают импульсы положительной полярности с инвертирующего - 15 и неинвертирующего - 17 усилителей. В сумматоре - 18 происходит суммирование сигналов по абсолютному значению, поэтому на его выходе формируется детектированный сигнал. Данная схема детектирования сигнала путем начального разделения сигнала, затем усиления, а потом суммирования обеспечивает высокую четкость детектирования сигнала, притом что в цифровом сигнале ширина импульсов непостоянная. Данный сигнал поступает на компаратор - 19, на выходе которого он становится цифровым и имеет только два состояния «0» или «1», где «0» соответствует отсутствию напряжения, а «1» - напряжению высокого уровня. Данный сигнал поступает на вход блока проверки на достоверность полученной информации - 20 для дальнейшей обработки. Проверенный на достоверность сигнал с выхода блока проверки на достоверность полученной информации - 20 является выходным сигналом приемной части устройства.

В устройстве предусмотрена автоматическая регулировка уровня срабатывания компаратора - 19. Для корректной работы данной автоматической регулировки в приемной части устройства передаваемая информация должна состоять не только из передаваемой информации, но и служебной. Для этого преобразователем сигнала - 1 вся цифровая информация на передающей стороне разбивается по кадрам с чередованием внутри него следующим образом: старт бит - фрагмент передаваемой информации - контрольная сумма. Контрольной суммой является число, получившееся в результате суммирования единичных бит в передаваемой информации внутри кадра. На приемной стороне сравнивается подсчитанная сумма бит полученной информации внутри кадра с полученной контрольной суммой.

Автоматическая регулировка уровня срабатывания компаратора - 19 включает в себя блок проверки на достоверность полученной информации - 20 и цифроаналоговый преобразователь - 21. Компаратор - 19, используемый в устройстве, имеет один аналоговый вход сравнения сигнала, аналоговый вход управления и один цифровой выход. Компаратор - 19 работает следующим образом: если на аналоговом входе компаратора уровень напряжения меньше, чем на входе управления, то на его цифровом выходе будет напряжение, соответствующее логическому «0», а если на аналоговом входе компаратора напряжение превысит напряжение на входе управления, то на выходе компаратора напряжение будет соответствовать логической единице. Цифровой сигнал с выхода компаратора - 19 поступает на блок проверки на достоверность полученной информации - 20. Блок проверки на достоверность полученной информации - 20 формирует цифровой код установки уровня срабатывания компаратора - 19. Формирование цифрового кода происходит следующим образом: на m дополнительных логических выходах регулировки уровня срабатывания компаратора формируется m-разрядное двоичное число (в данном случае четырехразрядное двоичное число, т.к. количество дополнительных логических выходов равно 4). Код поступает на входы цифроаналогового преобразователя - 21. Цифроаналоговый преобразователь - 21 формирует из цифрового кода аналоговое напряжение, пропорциональное значению кода. Напряжение с выхода цифроаналогового преобразователя - 21 подается на вход управления компаратора - 19. Блок проверки на достоверность полученной информации - 20 постоянно сравнивает внутри каждого принятого кадра количество единичных бит переданной информации с контрольной суммой этого кадра. Если подсчитанная сумма не совпадает с принятой контрольной суммой, то блок проверки на достоверность полученной информации - 20 меняет код на входе цифроаналогового преобразователя - 21 и выдает команду ошибки преобразователю сигнала - 1 через дополнительный выход, который соединен с дополнительным входом преобразователя сигнала - 1. Смена кода на входе цифроаналогового преобразователя - 21 происходит путем прибавления единицы к текущему m-разрядному двоичному числу. Преобразователь сигнала - 1 после получения команды ошибки передает с помощью передатчика команду ошибки в линию связи другому устройству, которое передавало цифровую информацию для повтора пересылки последнего кадра информации. Данный процесс повторяется до тех пор, пока в новом принимаемом кадре не произойдет совпадение суммы единичных бит переданной информации с контрольной суммой.

Преобразователь сигнала - 1 разбивает передаваемую цифровую информацию на кадры и добавляет в каждом кадре контрольную сумму бит, а блок проверки на достоверность полученной информации - 20 постоянно проверяет полученную информацию на достоверность путем сверки подсчитанной суммы бит передаваемой информации в кадре с контрольной суммой и при положительной проверке выдает информацию на выход устройства. При отрицательном результате проверки полученной информации принимаемое устройство передает передающему устройству команду повтора передачи последнего кадра цифровой информации. Таким образом, обеспечивается высокая помехозащищенность и достоверность получаемой информации.

Так как выходная обмотка - 22 трансформатора - 7 устройства согласования и развязки соединена с линией связи через высоковольтный конденсатор - 23 устройства согласования и развязки, то данное устройство может использоваться для передачи и приема информации по высоковольтной электрической сети, что соответствует поставленной в изобретении задаче.

Наличие автоподстройки уровня срабатывания компаратора в заявленном устройстве при условии добавления внутри кадра адреса устройства дает возможность его использования в системе нескольких подобных устройств, а именно в системе телеметрии городских электросетей, где топология сети может меняться путем оперативных переключений.

1. Устройство кодирования, приема и передачи цифровой информации по электрическим сетям, содержащее преобразователь сигнала, снабженный, по крайней мере, двумя выходами, вход которого является информационным входом устройства, передатчик, снабженный двумя выходными ключами, приемник, содержащий детектор и компаратор, устройство согласования и развязки, включающее трансформатор с четырьмя обмотками, причем выходная обмотка подключена к электрической сети, приемная обмотка подключена к входу приемника, а две другие - к выходу передатчика, отличающееся тем, что передатчик дополнительно оснащен двумя усилителями, выходы которых соединены с выходными ключами, а входы соединены с выходами преобразователя сигнала, детектор оснащен двумя диодами, сумматором, инвертирующим и неинвертирующим усилителями, входы которых соединены через диоды с приемной обмоткой трансформатора устройства согласования и развязки, а выходы соединены с входами сумматора, причем выход сумматора соединен с входом компаратора, а приемник оснащен блоком проверки на достоверность полученной информации, вход которого соединен с выходом компаратора, дополнительный выход соединен с дополнительным входом преобразователя сигнала, а другой выход является информационным выходом устройства в целом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приемник дополнительно снабжен цифроаналоговым преобразователем, причем входы цифроаналогового преобразователя подсоединены к дополнительным выходам регулировки уровня срабатывания компаратора блока проверки на достоверность полученной информации, а выход подсоединен к входу управления компаратора.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходная обмотка трансформатора устройства согласования и развязки соединена с электрической сетью через высоковольтный разделительный конденсатор.