Телекомуникации по електрозахранващата мрежа

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2011

Нови интегрални схеми и модули за реализиране на PLC решения

Стефан Куцаров

    Същността на телекомуникациите по електрозахранващата мрежа (Powerline Communications) PLC вече бе разгледана на страниците на списание Инженеринг ревю (вж. бр. 2/2007 г.). През последните години се увеличи както броят на фирмите-производителки на необходимите за реализирането им интегрални схеми (ИС) и адаптери, така и този на приложенията им. Силно се разви многообещаващата област на връзки между прибори и устройства със скорост до 500 kbps в енергийната мрежа и интелигентните сгради (Smart Home), като се утвърди и терминът Powerline Networking (PLN). Във Франция се разработва мрежа за отчитане на данните от електромери на 35 млн. абонати, като скоростта на обмен на данни между компютърни и комуникационни устройства по мрежата достигна 500 Mbps. В района на Манхайм (Германия) действа PLC мрежа, обхващаща 200 000 домакинства от 6 града, а в Еквадор има такава за Интернет връзка на 800 000 жилища.

Настоящата статия е посветена на ИС за PLC, като преобладаващо място е отделено на тези със скорост до 500 kbps. Разгледани са и новостите в останалите “класически” PLC заедно с най-новия тип, появил се в последните години.

Особености на PLС
Електрическите мрежи са комуникационната среда с най-големи смущения, като същевременно съществуват ограничения за амплитудата на предаваните по тях PLC сигнали. Това налага обменяните данни да са задължително цифрови и да се ползват подходящи модулации на сигналите, съпътствани от усъвършенствани методи за коригиране на грешките при приемането. Последните обикновено автоматично изискват повтаряне на дадено съобщение, което удължава времето за предаването му и, съответно, скоростта за обмен на данни намалява. Това е причината нейната стойност като параметър на дадено устройство да зависи от нивото на смущенията.

Друга принципна особеност е, че електрозахранващите мрежи не могат да осигурят задължителното в специализираните комуникационни мрежи съгласуване, резултатът от което е увеличено затихване на предаваните сигнали и евентуални техни отражения от електрически ключове, контакти и други комутационни компоненти. И не на последно място PLC трябва да отговарят на международните норми за ниво на смущенията, създавани от тях по електрическата мрежа и излъчвани около нея. Тези и други проблеми са решени и продължават да се решават чрез подходящи технически и програмни средства, като последните обикновено са вградени в паметта на ползваните ИС. Независимо от това засега основната част от приложенията на PLC са за осигуряване на връзки по електрозахранващата мрежа на разстояние (в смисъл дължина на проводниците) до няколко стотици метра. Същевременно, има сериозни успехи в използването на електроразпределителната мрежа средно напрежение, където допълнителен проблем е преминаването на сигналите на PLC през трансформаторите.

Цифрови модулации при PLC
В PLC се използва значителна част от голямото разнообразие на цифрови модулации, като основният принцип е, че по-голямата скорост на обмен на данни изисква по-сложна модулация. При това в техническата документация на всяка ИС се отбелязва модулацията или модулациите, с които тя може да работи.

Най-простата е амплитуднокодовата модулация (Amplitude Shift Keying) ASK, при която логическата "1" на обменяните данни представлява синусоидално напрежение с фиксирана честота, а логическата "0" е липса на напрежение. Използва се за скорост на обмена на данни до няколко kbps, например в PLC системи за управление на електрическите уреди в жилища. Малко по-сложна е двоичната честотнокодова модулация (Binary Frequency Shift Keying) BFSK, при която и двете логически нива се предават чрез синусоидално напрежение. За "0" то е с честота fs, а за "1" – с друга, по-голяма честота fm. Използващите я PLC обикновено работят в честотен обхват 50-500 kHz, а скоростта на обмен на данни е между 100 bps и 30 kbps. Нейна разновидност е S-FSK със значително разстояние между fm и fs за избягване на нежеланото влияние между напреженията с двете честоти.

Друга разновидност е честотнокодовата модулация с неизменна фаза (Continuous Phase Frequency Shift Keying) CPFSK, използвана основно в теснолентови канали. Причината за това е, че двете напрежения при BFSK са с различна фаза, което може да доведе до краткотрайно нулиране на напрежението (едната синусоида се прекратява и малко след това започва другата) и, съответно, появата на нежелани високочестотни сигнали. При CPFSK двете синусоиди са еднаква фаза и напрежението не се нулира. Когато всяка от честотите се изменя в определени граници по псевдослучаен закон, налице е кодова модулация с разпръсната честота (Spread FSK) SFSK. Също с променяща се честота работи диференциалната кодова модулация (Differential Code Shift Keying) DCSK, при която за предаване на всеки от 64-те символа честотата расте и/или намалява в специфични за него граници. Например за един символ тя нараства от 20 до 40 kHz, а за друг най-напред расте от 30 до 40 kHz, след това се връща на 20 kHz и отново нараства до 30 kHz. Обхватът от честотите е определен от използвания PLC стандарт, а времето за предаване на един символ е фиксирано. Това е най-устойчивата модулация на импулсни смущения (които са типични за електрозахранващите мрежи), а приложенията й са за PLC със скорост до 500 kbps - най-вече за автоматично отчитане на показанията на електромери.

При двоичната фазовокодова модулация (Binary Phase Shift Keying) BPSK двете синусоидални напрежения са с еднаква честота и дефазирани на 180°, поради което широчината на предавателния канал е по-малка в сравнение c BFSK. Когато напреженията са четири на 90° едно спрямо друго, се получава четворна фазовокодова модулация (Quad PSK) QPSK – широчината на канала е същата, както при BPSK, но се предават два пъти повече данни за определено време, тъй като на всяко от напреженията съответства двуразредно двоично число. Аналогично, при осморната модулация (8PSK) напреженията са осем, дефазирани на 45° и данните се предават с 3-разредни двоични числа. Съществуват разновидности на всички PSK с общо наименование диференциални фазовокодови модулации и означения DBPSK, DQPSK и D8PSK, при които данните не са новите стойности на фазата, а само промяната от предната й стойност.

Цифровата квадратурна модулация (Quadrature Amplitude Modulation) QAM отново използва определено количество дефазирани синусоидални напрежения с еднаква честота, но при модулацията се променя и тяхната амплитуда. Например в 16QAM напреженията са четири на 90° едно спрямо друго, като всяко може да има по 4 стойности, т. е. в един канал се предават 16 различни символа под формата на 4-разредни двоични числа. Освен нея в PLC се използват 64QAM (напреженията са осем на 45° и всяко има по 8 стойности), 256QAM, 1024QAM и 4096QAM.

Също с голямо приложение в PLC е ортогоналната многочестотна модулация (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) OFDM, която използва множество синусоидални напрежения с близко разположени честоти (обикновено наричани подносещи), всяко от които е модулирано с някоя от фазовите модулации или от QAM. Понякога пред означението й се поставя число, показващо броя на ползваните честоти, например 97 OFDM. Препоръчва се за работа при наличие на силни импулсни смущения и зависимо от честотата затихване на сигналите. Най-важната й особеност е възможността за осигуряване на голяма скорост за обмен на данните, която автоматично се променя в зависимост от нивото на шума в мрежата (по-голям шум – по-малка скорост).

Разновидност на OFDM, предназначена за ползване на мрежата от много потребители, е ортогоналната многочестотна модулация с разпределен достъп (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) OFDMA. При нея на всеки потребител се предоставя само част от честотите, които ползва, както в OFDM.

PLC системи със скорост до 500 kbps
Засега най-често се използват за двупосочен обмен на данни между доставчиците на електроенергия и електромерите на потребителите, известно като Smart Metering (SM). Други приложения са в системи за осветление и охрана, в климатични системи, фотоволтаични системи за производство на електроенергия, в индустриални автоматизирани системи, в уличното осветление и системите за контрол на транспорта. На тях се разчита особено в изграждането на интелигентни енергийни мрежи (Smart Grid) SG и интелигентни сгради, характеризиращо се с максимално ефективно използване на енергията, както и за зареждане от мрежата на акумулаторите на хибридните и електрическите автомобили. В Европа използваните честотни обхвати са определени от стандарта CENELEC (фиг. 1), като честотната лента А е само за предаване на данни към потребителите, а останалите са за PLС. При това в В и D може да се работи без протоколи, докато С е предвидена за работа в съответствие с протокола CMSA (Carrier Sense Multiple Access), при който предавателят най-напред проверява дали по мрежата не се предават други съобщения и само при липсата им излъчва своето. Честотите между 100 и 400 kHz се ползват от стандарта FCC в САЩ и ARIB в Япония.

Основният вид ИС, които се използват за реализация на PLС до 500 kbps, са интегралните модеми. Част от тях изискват добавянето на 1 до 3 допълнителни ИС за осигуряване на функциите на PLC, а при други такива ИС не са необходими. Според някои производители, първата категория е малко по-евтино решение и те я препоръчват за едросерийно производство на PLC устройства. Задължителен за тази категория е външният микроконтролер, който е единствената допълнителна ИС за модемите в редове 3, 4 и 9 на таблица 1. Модемът в ред 9 на таблицата е предназначен за включване и изключване на електродомакински уреди и има вероятно най-простата съществуваща структура поради използването на ASK. Еднаквите параметри на ИС в другите два реда се дължат на съвместната им работа за отчитане на показанията на електромери – ADE8165 е управляващ модем (Master Modem), с който могат да работят до 64 управлявани модема (Slave Modem) ADE8155. Предназначени са за събиране на данни по трите фази на мрежата. Действието на тези три ИС може да се изясни чрез обобщената им структура на фиг. 2. Постъпващите данни на входа Rx се демодулират от DMOD и подават на основния блок Base, който осигурява действието на модема в PLC и от него през интерфейсния блок Int се получават на входно/изходната шина I/O. Също на нея постъпват данните за предаване, които отново чрез Base достигат до модулатора MOD и изхода Tx. Необходимото за работата на модема програмно осигуряване постъпва на шината Cntr и през блока MI достига до Base.

В редове 8, 10, 11 и 13 на таблицата са дадени параметрите на модеми с вграден микроконтролер, които също изискват външен, наричан в случая Host Application mC или Application MCU. Това води до значително усложняване на ИС, които се превръщат в т. нар. системи върху чип (System-on-Chip) SoC. Идея за тяхната структура е дадена на фиг. 3.

Приемникът Rc получава данните от входа Rx, обработва ги (включително демодулация) и ги предоставя на микроконтролера СС, от който те постъпват на шината I/O. На нея се подават и данните за предаване, които чрез СС и предавателя Tr (където се осъществява модулацията) се получават на изхода Tx. Шината Cntr, освен за управление, в някои случаи (например в модема от ред 10 на таблицата) се използва и за проверка на действието на ИС. Микроконтролерът изпълнява и множество допълнителни функции, например за работа на модема с един или повече интерфейси, за обмена на данни през I/O, за корекция на грешките при приемане, за изпращане на заявка за повтаряне на съобщението (Automatic Repeat Request) ARQ при невъзможност грешката да бъде коригирана, за криптиране на данните с цел защитата им (обикновено с AES128). Действието на описаните блокове се осигурява от тактовите импулси на генератора CLK, на чийто вход Х се свързва кварцов резонатор. За улесняване на приложенията някои от модемите съдържат допълнителни блокове, отбелязани в съответната колона на таблицата. Например за фиксиране на времето на измерване се използва часовник за реално време (Real Time Clock) RTC, а различните памети (някои защитени с парола) са за запис на програмни продукти и/или на данни.
Особеност на модема в ред 13 е, че вграден в него блок позволява свързването му към 1023 различни мрежи, всяка от които с максимум 2047 устройства (node). Пример за свързването на този тип модеми е даден на фиг. 4. Драйверът за електрозахранващата мрежа (PLC LINE DRIVER) осигурява необходимата мощност на сигналите по мрежата (в много случаи товарите в нея са твърде нискоомни), свързването към която е трансформаторно. Схемата показва още възможността за използване на някои модеми и за измерване на консумацията на вода и газ.

Друга обща особеност е, че част от модемите (дадените в редове 8 и 13) изискват допълнителна ИС с наименование Analog Front End (AFE) между тях и драйвера. Например за модема в ред 8 тя е МАХ2991 на MAXIM. Характерни особености на модема в ред 11 е, че двете честоти на S-FSK могат да се програмират със стъпка 10 Hz и че той може да работи като управляващ и управляван, което улеснява създаването на PLC мрежи. Пример за такава е даден на фиг. 5, като връзката между външните микроконтролери и модемите е реализирана чрез интерфейса RS-232.

Втората категория може условно да бъде наречена самостоятелни модеми (дадените в редове 1, 2, 6, 7, 16 и 17 на таблицата), тъй като имат мощен вграден микроконтролер (най-често тип 8051) и не се нуждаят от външен. Тяхната структура се изяснява чрез примера на фиг. 6, където е представен модема от ред 7 на таблицата заедно с външно свързваните устройства. Той има 3 части – FSK PHY за осигуряване на приемането (блокът AFE) и предаването (блокът Power Driver) на данните, MAC Support за изпълняване на необходимите действия за обмена на данни и обработката им и управляващо-интерфейсната част с микроконтролер 8051, памети, таймери (Т0, Т1 и Т2), интерфейси SPI и UART, драйвер за LCD индикатори, аварийно изключване (WD) и регулиране на подсветката (4xDimmer). Характерно за модема в ред 6 е използването на OFDM с 97 подносещи. Модемът на ред 5 е създаден специално за управляване на LED осветление, поради което съдържа съответния контролер и специализираните интерфейси DALI и DMX512. Интересно решение на такъв тип модеми предлага Renesas - в ИС M16C/6S, наречена микроконтролер, е вграден IT800 (практически същият, като дадения в ред 17 на таблицата) и изчислителен блок. Модемът работи в честотни обхвати 20-80 kHz и 95-125 kHz при скоростите от ред 17.

Производителят Semitech Semiconductor е приел да използва наименованието приемопредаватели за електрозахранващата мрежа (Power Line Transceiver) вместо модеми, каквито са дадените в редове 12 и 13 на таблицата. Особеност на този в ред 12 е, че OFDMA е с 54 стойности на честотата от 100 възможни, а даденият в ред 13 има 8 честоти и всеки негов екземпляр е със собствен номер от 48-разредно двоично число.
Някои от големите производители на цифрови сигнални контролери (DSC) и цифрови сигнални процесори (DSP) предлагат на пазара свои разработени устройства за PLC на тяхна основа. Развойният кит АС164145 (фиг. 7) на Microchip е реализиран с микроконтролер dsPIC33F, работи с честота 72 kHz и има скорост 6 kbps. TI предлага кит със SFSK и честоти 63,3 kHz и 74 kHz, реализиран с процесора TMS320C2801 и използващ като мрежови драйвери два операционни усилвателя. Принципните предимствата на тези решения са, че DSC и DSP могат едновременно да изпълняват и други функции, например корекция на фактора на мощността и управление на електродвигатели и инвертори, както и че предоставят възможност за прилагане на новопоявили се модулации.

Голямото внимание, което се отделя за разработването на SG, налага по-нататъшно усъвършенстване на управлението на свързаните към тях прибори. Това е смисълът на публикувания през юни 2010 г. стандарт Homeplug Green PHY, предназначен за ползване на тези мрежи като комуникационна среда с максимална скорост на обмен на данните 10Mbps и намалена със 75% консумация на енергия на устройствата. Прогнозите са, че до края на т. г. ще бъдат пуснати в производство първите прибори за него.

Бързи PLC
Точно определение за “бързи PLC” няма, но практиката показва, че засега те са с максимална скорост между 14 Mbps и 500 Mbps, като при големи смущения реалната скорост може да е над 100 пъти по-малка.

Съществуват три основни метода за реализиране на бързи PLC. Първият е създаден от консорциума Homeplug, обединяващ над 60 фирми и предлагащ четири отделни стандарта за връзки с максимални скорости 14 Mbps, 85 Mbps, 200 Mbps и 500 Mbps. Вторият метод е на Асоциацията за връзки по електроенергийната мрежа (Universal Powerline Association) UPA с наименование Digital Home Standard (DHS) и е за PLC в жилища с максимална скорост 200 Mbps. Той осигурява работата на съвременните мултимедийни устройства, при които са необходими поне 150 Mbps. Най-новият метод е публикуван през 2008 г. от Международния съюз за телекомуникации (International Telecommunication Union) ITU като стандарт ITU-T G.9960 и е едновременно за комуникации по електроенергийната мрежа, телефонни линии и коаксиални кабели с максимална скорост 500 Mbps, която при последните достига 700 Mbps. Основното му предимство е, че по всички жични мрежи в едно жилище или сграда се използва един протокол, което улеснява техническата реализация на устройствата за връзка и позволява едновременно и лесно ползване на всички монтирани проводници. Стандартът може да се използва и за осъществяване на разгледаните връзки със скорост до 500 kbps. За въвеждането му в практиката е създаден HomeGrid Forum, в който участват над 40 компании.

PLC със скорост до 14 Mbps. Обменът на данни се извършва в съответствие със стандарта Homeplug 1.0, но независимо от фиксираната в него максимална скорост от 14 Mbps има ИС, при които тя е по-малка. Използва се OFDM с подобрена разновидност на BPSK, като каналите са 84 и разположени с честотна лента 4,5-21 MHz. Обменяните данни са криптирани с 56-разредни числа. Връзките се установяват главно между компютри и съпътстващи ги устройства, например принтери, като предимство е комбинирането им с безжични мрежи – последните осигуряват достъп до сграда, жилище или офис, а в рамките на тях се използва PLС. Използват се за реализация на охранителни системи (вкл. с видеонаблюдение) и VоIP. Новите ИС за тези PLC са малко, например INT51Х1 на Intellon (вече част от Qualcomm ATHEROS) с вградени интерфейси MII/SPS1, USB1.1 и Ethernet, възможности за свързване на външна EEPROM и захранващо напрежение UN=3,3 V.

PLC със скорост до 85 Mbps. Осъществяват се на основата на подобрените стандарти Homeplug 1.0 Turbo и Homeplug 1.0.1, съвместими с Homeplug 1.0. По-голямата скорост на обмен на данни разширява приложенията – към споменатите приложения на предните PLC се прибавят цифрови телевизионни програми, свързване на цифрови видеорекордери, обмен на други видео и звукови файлове и Интернет телевизия, което позволява изграждането на домашни видео мрежи. Ползва се честотната лента на предния стандарт и отново се работи с OFDM, а като модулации, освен съвременните разновидности на BPSK, се използват и QAM16, QAM64 и QAM256. Криптирането отново е 56-разредно. Съвременна ИС е INT5500CS на Qualcomm ATHEROS с вграден интерфейс MII и захранвана с напрежения 1,8 V и 3,3 V. За връзката й с електроенергийната мрежа е необходим драйвер.

PLC със скорост до 200 Mbps. Развитието на тези PLC е най-усилено през последните години поради допълнителните възможности, които предлагат в сравнение с предните, най-съществените от които са свързване на телевизионни приемници с висока разделителна способност (HDTV) и охранителни камери, на Blue-ray възпроизвеждащи устройства, игрови конзоли и др. Използват се стандартът HomeplugAV с честотна лента 2-28 MHz, в която са разположени 1155 канала на разстояние 24414 Hz, от които реално се използват 917 и стандартът  UPA DHS с лента 2-32 MHz и 1536 канала в нея. Криптирането и в двата стандарта е със 128- или 256-разредни двоични числа, също се използва OFDM, но възможните модулации са повече – освен тези в предните PLC, се ползват още QAM8 и QAM1024, позволяващи с една носеща честота да се предават съответно 3- и 10-разредни двоични числа.

Използваните ИС обикновено са комплект (Chipset) на AFE и процесор, осигуряващ работата в съответствие със стандарта. Пример за такъв на Qualcomm ATHEROS по стандарта HomeplugAV, е даден на фиг. 8 заедно със структурата на двете ИС и най-важните външни елементи. Сигналите от електрозахранващата мрежа преминават през лентов филтър BPF, който не пропуска сигнали извън определената от стандарта лента и се усилват от усилвателя с програмируем коефициент на усилване PGA в AFE. Те постъпват в процесора INT6400, като най-напред се преобразуват в числа от ADC. Следва обработката им от блоковете PHY и MAC и подаване към свързаното устройство. В обратна посока данните от последното отново се обработват от PHY и МАС, след което чрез цифровоаналоговия преобразувател DAC се превръщат в аналогови сигнали. От тях се премахват тези с честоти под долната на обхвата според стандарта и се усилват от PG Driver. Блокът System Clock осигурява необходимите тактови импулси, а PLL е схема с фазова донастройка на честотата с външен кварцов резонатор. Подобна е ИС INT6000, по същия стандарт и също с външни AFE и драйвер, но работеща с протокола CSMA/CA и позволяваща свързването на външни памети SDRAM и Flash.

PLC със скорост до 500 Mbps. Този най-нов тип ИС са в съответствие със стандарта HomeplugAV2, означаван от някои производители като HomeplugAV+ или HomeplugAVPlus. По-голямата скорост се постига чрез разширяване на честотната лента до 2-68 MHz, в която има 2880 канала, прибавяне към модулациите на QAM4096, позволяваща с една носеща честота да се предават 12-разредни двоични числа и използването на известната от безжичните връзки (стандарт 802.11n Wi-Fi) технология с няколко входа и изхода (Multi-Input, Multiple-Output) MIMO. Увеличената скорост на обмен на данните налага използването и на Ethernet1000BASE-TX и позволява обмен на триизмерни телевизионни изображения (3D HDTV). Засега на пазара има два комплекта от процесор и AFE на Qualcomm ATHEROS. Първият е AR7400 и AR1500 със свързване, аналогично на фиг. 8, а вторият е от AR7420 и AR1540, като и двата осигуряват криптиране AES128.

Споменатият стандарт UPA DHS също осигурява скорост до 500 Mbps при използване на честотна лента с широчина 50 MHz и до 1 Gbps при лента 100 MHz. Обменът на данни се извършва чрез OFDM и с една носеща честота могат да се предават до 12-разредни числа, а защитата на информацията се осигурява чрез същото криптиране. Към средата на т. г. на пазара все още няма ИС по този стандарт.



Ключови думи: PLC, Powerline Communications



Top