BRPI0621195A2 - modem em particular para uma comunicação de linha de potência submarina - Google Patents

Abstract

MODEM EM PARTICULAR PARA UMA COMUNICAçãO DE LINHA DE POTêNCIA SUBMARINA. A presente invenção refere-se a um modem em particular para uma comunicação de linha de potência submarina, que compreende os componentes eletrónicos em uma placa de circuito e uma encapsulação de metal, em que a referida encapsulação forma pelo menos duas câmaras separadas por pelo menos uma parede, em que cada uma das referidas câmaras circunda pelo menos um dos referidos componentes eletrónicos.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MODEM EM PARTICULAR PARA UMA COMUNICAÇÃO DE LINHA DE POTÊNCIA SUBMARINA".

A presente invenção refere-se a um modem, em particular para uma comunicação de linha de potência submarina, que compreende compo- nentes eletrônicos em uma placa de circuito e uma encapsulação de metal.

Uma comunicação de linha de potência submarina é uma forma especial de comunicação submersa. Preferencialmente é usada da explora- ção e na exploração de campos de gás e de óleo localizados no leito do mar. Uma comunicação submersa é usada, por exemplo, para a transmissão de vários dados entre locais de controle de lado de topo e cabeças de poço submersas. Os campos de gás e de óleo que são explorados ou explotados usando-se uma comunicação eletrônica com as cabeças de poço ou com outro equipamento eletrônico às vezes são denominados "campos eletrôni- cos" (e-campos).

Na técnica anterior, técnicas diferentes para comunicação sub- marina foram descritas. Por um lado, há conexões elétricas ou óticas com fio; por outro lado, há conexões sem fio. As conexões com fio podem ser subdivididas em um primeiro grupo que provê linhas de comunicação para conexões eletrônicas ou óticas separadas das linhas de potência elétrica, e um segundo grupo que utiliza linhas de potência para comunicações eletrô- nicas. No último caso, vantajosamente nenhuma linha de comunicação em separado é necessária.

Por exemplo, na US 2005/0243983 A1, um modem para dados recebidos e transmitidos de e para um condutor é descrito. Este compreende um mecanismo impulsor (drive) de saída para dados transmitidos ao condu- tor, um receptor para dados recebidos do condutor e meio de combinação de impedâncias para combinação de uma impedância de uma entrada recepto- ra com uma impedância do condutor. Um ganho do mecanismo impulsor de saída, um ganho receptor e a impedância da entrada receptora são ajustá- veis neste modem.

Os modems tipicamente usam uma placa de circuito impresso (PCB) na qual componentes eletrônicos, tais como circuitos integrados (IC) são montados. Estes componentes usualmente são sensíveis à radiação eletromagnética, em particular à radiação na faixa de freqüência de rádio (RF), resultando em interferência eletrônica e ruído. Como uma conseqüên- cia, a taxa de bit e a faixa de operação de uma conexão de modem são afe- tadas pela extensão de uma radiação a que seus componentes eletrônicos são expostos. O impacto negativo de uma radiação é ainda aumentado con- forme as trilhas conectando os componentes eletrônicos atuam como ante- nas de recepção. Portanto, busca-se que os componentes eletrônicos e a placa de circuito impresso sejam blindados contra radiação.

Os modems modernos para comunicação de linha de potência submarina usam uma caixa de metal que circunda inteiramente sua placa de circuito impresso para blindagem dos componentes eletrônicos e das trilhas entre eles de uma radiação por freqüência de rádio externa. Contudo, a taxa de bit possível e a faixa operacional possível destes modems são limitadas, por causa das propriedades de blindagem limitadas da encapsulação de cai- xa de metal.

É um objetivo da invenção especificar um modem tendo proprie- dades melhoradas de blindagem, desse modo se reduzindo significativamen- te a interferência eletrônica e/ou o ruído.

Este problema é resolvido por um modem que compreende os atributos proporcionados na reivindicação 1.

Modalidades vantajosas da invenção são proporcionadas nas reivindicações dependentes.

A invenção propõe que a encapsulação forme pelo menos duas câmaras separadas por pelo menos uma parede, onde cada uma das referi- das câmaras circunda pelo menos um dos referidos componentes eletrôni- cos. Por meio desta solução, a parede que separa as câmaras também se- para os componentes eletrônicos contidos nas diferentes câmaras, desse modo se provendo propriedades melhoradas de blindagem. Alguns dos componentes eletrônicos em si emitem radiação de RF afetando os outros, resultando em uma interferência eletrônica e em ruído, conforme declarado acima. Este efeito é significativo em particular para modems usando uma multiplexação de divisão de freqüência ortogonal (OFDM). A encapsulação proposta não apenas blinda os componentes eletrônicos de uma radiação de RF externa, mas também de uma radiação de cada um, isto é, de uma radi- ação de RF interna. Como uma conseqüência, a taxa de bit de conexão e a faixa operacional do modem de acordo com a invenção são significativamen- te aumentadas em relação à técnica anterior.

Em uma modalidade vantajosa, as referidas câmaras são dis- postas em um primeiro lado da referida placa de circuito. Isto provê uma construção simples da encapsulação e, assim, do modem.

Em uma modalidade avançada, pelo menos uma das referidas câmaras é continuada em um segundo lado da referida placa de circuito. Isto implica que a parede de separação também é continuada no segundo lado, e que a placa de circuito subdivide a referida câmara continuada em duas partes. Desse modo, a referida câmara circunda inteiramente pelo menos um respecti- vo componente eletrônico da maneira de uma gaiola de Faraday. Isto melhora as propriedades de blindagem contra uma radiação de RF. Além disso, a en- capsulação e o modem podem ser construídos de forma compacta, já que a placa de circuito impresso é suportada a partir de dois lados.

Uma blindagem ótima é obtida com uma modalidade, onde pelo menos a parede de separação está em contato firme com a placa de circuito. Dependendo da freqüência real de radiação emitida, a qualidade da blinda- gem se degrada com o tamanho de orifícios ou espaços na encapsulação. Uma blindagem forte é obtida por um contato firme da parede de separação ou mesmo a encapsulação inteira com a placa de circuito.

Para uma blindagem ótima, a placa de circuito é provida em sua superfície com pelo menos uma zona de contato de metal para pelo menos a referida parede de separação. A placa pode ter trilhas condutivas em suas camadas internas em paralelo com as referidas zonas e contatadas com e- las para melhoria maior da blindagem. Desta forma, mesmo a placa de cir- cuito impresso em si contribui para melhoria das propriedades de blindagem.

Em uma modalidade preferida, a encapsulação compreende uma cobertura dianteira, um quadro dianteiro em uma peça a partir do pri- meiro lado da referida placa de circuito, um quadro traseiro em uma peça para o segundo lado da referida placa de circuito e uma cobertura traseira. Este tipo de encapsulação é estável, fácil de produzir e fácil de manipular quando da montagem dela na placa de circuito. Além disso, provê uma gaio- la de Faraday de alta qualidade.

Vantajosamente, um lado plano de cada um dos referidos qua- dros está inteiramente em contato firme com a referida placa de circuito. Isto permite uma construção estável e compacta do modem, já que a encapsula- ção atua como um reforço para a placa de circuito.

Em uma modalidade especial, a referida encapsulação compre- ende um corpo de metal que circunda um componente de amplificador de potência (PA). Os amplificadores de potência emitem grandes quantidades de calor de perda. Pelo referido corpo de metal que circunda a potência am- plificada, o amplificador de potência pode ser resfriado e adicionalmente blindado. O corpo de metal guia o calor de perda para as superfícies exter- nas da encapsulação. Além do corpo de metal o qual não tem um contato elétrico com o amplificador de potência, o amplificador pode ser conectado diretamente à encapsulação externa por um dissipador de calor ou por um tubo de calor que não toca o corpo de metal. O tubo de calor é isolado de forma galvânica da encapsulação externa.

Uma modalidade altamente preferida compreende pelo menos três câmaras, onde a primeira câmara circunda componentes de envio e de recepção analógicos, e a segunda câmara circunda componentes de analó- gico para digital e componentes de digital para analógico, e a terceira câma- ra circunda um processador de sinal digital de freqüência alta, um arranjo de porta programável de campo e um suprimento de potência DC/DC. Nesta modalidade, uma interferência eletrônica mínima é obtida pela separação estrita dos componentes mais críticos.

Vantajosamente, a encapsulação consiste em alumínio. Este material é de peso leve e condutivo. Assim, ele provê uma gaiola de Faraday de alta qualidade e um peso total baixo do modem. Para propriedades de blindagem fortes e alta estabilidade da encapsulação, a encapsulação preferencialmente tem pelo menos 2 mm de espessura.

A seguir, a invenção é descrita em maiores detalhes com vários desenhos.

A figura 1 mostra uma vista frontal esquemática de um modem geral com uma encapsulação básica.

A figura 2 mostra um diagrama de blocos de um modem de linha de potência submarina.

A figura 3 mostra uma vista frontal esquemática de um modem de linha de potência submarina.

A figura 4 mostra uma vista posterior esquemática do modem de linha de potência submarina.

Em todos os desenhos, partes correspondentes são denotadas por sinais de referência idênticos.

A figura 1 explica o princípio da invenção. Ela mostra esquema- ticamente um modem 1, que compreende uma placa de circuito impresso 2 equipada com um processador de sinal digital de freqüência alta (DSP) 3 e um amplificador de potência 4. Ambos os componentes eletrônicos são sen- síveis à radiação de RF eletromagnética, mas emitem maciçamente radiação eletromagnética eles mesmos. Uma encapsulação de metal 5, cuja superfí- cie é aberta na figura, circunda inteiramente a placa de circuito impresso 2. A encapsulação 5 consiste em das cascas espelhadas (não visíveis na figura). Ambas as cascas compreendem uma respectiva barra, que, caso as cascas sejam montadas conforme mostrado, estabelecem uma parede 6. A parede 6 é contínua à parte de um orifício passante (não visível) para a placa de circuito impresso 2. Assim, a encapsulação 5, caso sangrada em torno da placa de circuito impresso 2, forma uma primeira câmara 7 e uma segunda câmara 8, as quais são separadas pela parede 6. Cada câmara 7, 8 circunda o lado dianteiro e o lado traseiro da placa de circuito impresso 2. A placa de circuito impresso 2 é fixada entre as cascas por colunas (não mostradas) que fazem parte das cascas de encapsulação 5, e pelas barras. A encapsulação 5 compreendendo a parede 6 atua como uma gaiola de Faraday, blindando de forma eletromagnética o processador de sinal digital 3 ria primeira câmara 7 da radiação emitida pelo amplificador de potência 4 na segunda câmara 8 e vice-versa. Além disso, a encapsulação 5 blinda o processador de sinal digital 3 e o amplificador de potência 4 de uma radiação eletromagnética externa. Daí, o risco de uma interferência eletrôni- ca e de ruído nestes componentes eletrônicos é significativamente reduzido.

Na figura 2, um diagrama de blocos de um modem de linha de potência submarina é mostrado. O modem 1 compreende um arranjo de por- ta programável de campo (FPGA) 9, um processador de sinal digital 3, uma linha de processamento de analógico para digital 10 e uma linha de proces- samento de digital para analógico 11. Um conversor de analógico para digital (ADC) 12 e um amplificador de ruído baixo (LNA) 13 fazem parte da linha de processamento de analógico para digital 10. Um conversor de digital para analógico (DAC) 14 e um amplificador de potência 4 fazem parte da linha de processamento de digital para analógico 11. Ambas as linhas de processa- mento 10 e 11 são conectadas com um duplexador 16 através de uma inter- face diferencial (não mostrado). Pelo duplexador 16, o modem é conectável à linha de potência submarina (não mostrada). O arranjo de porta programá- vel de campo 9 provê duas interfaces seriais externas bidirecionais indepen- dentes, uma conexão RS-485 17 conectável com um assim denominado PROFIBUS para dados de carga útil binários, e uma conexão RS-232 18 para dados de diagnóstico. Os componentes são montados em ambos os lados de uma placa única de circuito impresso de seis camadas (não mos- trada nesta figura).

Por um lado, o arranjo de porta programável de campo 9 cria um sinal de RF modulado por OFDM a partir dos dados binários obtidos a partir da conexão RS-485 11 e, se requerido, a partir dos dados de diagnóstico obtidos a partir da conexão RS-485 17 e, se requerido, a partir dos dados de diagnóstico obtidos a partir da conexão RS-232 18. Estes dados são modu- lados como o sinal elétrico da linha de potência. Por outro lado, o arranjo de porta programável de campo 9 demodula um sinal modulado por OFDM ob- tido a partir da linha de potência através do duplexador 16 em dados de car- ga útil binários e, se necessário, em dados de diagnóstico que são extraídos para a conexão RS-485 17 e a conexão RS-232 18, respectivamente. Como os custos de computação são altos para multiplexação de divisão de fre- quência, o arranjo de porta programável de campo 6 utiliza um processador de sinal digital 3 para modulação e demodulação. O duplexador 16 é capaz de conectar o modem de RF 1 a ambas as extremidades de um cabo de li- nha de potência, de forma tal que os dois modems 1 sejam capazes de se comunicarem um com o outro, enquanto o cabo também é usado para distri- buição de potência.

Com OFDM, a qual em si é conhecida a partir de uma difusão de televisão, o modem de transmissão envia múltiplas freqüências ortogonais dife- rentes denominadas bandas portadoras ou canais. Duas bandas portadoras são ditas como sendo ortogonais se elas forem independentes uma da outra com referência a sua relação de fase relativa. Os dados binários são modula- dos no sinal elétrico na forma de assim denominados símbolos de OFDM.

Na figura 3, uma vista frontal esquemática do modem 1 da figura 2 é descrita. Os componentes eletrônicos são montados em ambos os lados da placa de circuito impresso de seis camadas 2 que tem um tamanho, por exemplo, de 100 mm x 160 mm e excede à seção transversal da encapsula- ção 5. Apenas duas portas D-SUB 19 e 20 são dispostas fora da encapsula- ção 5. Elas provêem externamente a conexão RS-485 e a conexão RS-232 (não mostradas nesta figura).

A encapsulação 5 consiste em um alumínio cortado com jato de água compreendendo cinco partes: um quadro dianteiro em uma peça 5.1, uma cobertura dianteira (não mostrada), um quadro traseiro em uma peça 5.2 (nesta figura escondido atrás da placa de circuito impresso 2 - veja a figura 4), uma cobertura traseira (não mostrada) e um corpo de metal em uma peça 5.3. Todas as referidas partes são providas com orifícios 22 para fixação delas contra a placa de circuito impresso 2 por parafusos. O quadro dianteiro 5.1 exibe paredes intermediárias 6 que subdividem o interior do quadro dianteiro 5.1 em três câmaras separadas 7, 8 e 21. A primeira câma- ra 7 circunda os componentes de envio analógicos, tal como o amplificador de potência 4, e componentes de recepção, tal como o amplificador de ruído baixo 13. A segunda câmara 8 circunda o conversor de analógico para digital 12 e o conversor de digital para analógico 14, bem como um amplificador de ruído baixo 13. A terceira câmara 21 circunda o processador de sinal digital 3, o arranjo de porta programável de campo 9 e um suprimento de potência DC/DC 23. O corpo de metal 5.3 circunda apenas o amplificador de potência 4 dentro da primeira câmara 7.

O quadro dianteiro 5.1, o quadro traseiro 5.2 e as coberturas têm uma espessura de pelo menos 2 mm. O quadro dianteiro 5.1 tem, por exem- plo, uma altura de 20 mm. O quadro traseiro 5.2 tem, por exemplo, uma altu- ra de 5 mm. O quadro dianteiro 5.1 é montado por parafusos que são presos completamente através dos orifícios 22 de cobertura traseira, quadro traseiro 5.2, placa de circuito impresso 2 e no quadro dianteiro 5.1. Daí, ambos os quadros 5.1, 5.2 estão inteiramente em contato firme com a placa de circuito impresso 2. A cobertura dianteira é montada diretamente sobre o quadro dianteiro 5.1 por parafusos através dos orifícios 22 da cobertura dianteira no quadro dianteiro 5.1. Um calço condutivo de calor deve ser montado exata- mente onde o corpo de metal 5.3 alcança a cobertura dianteira. O corpo de metal 5.3 é montado em torno do amplificador de potência por parafusos através da placa de circuito impresso 2 e no corpo de metal 5.3. A placa de circuito impresso 2 é provida com zonas de contato de metal em áreas em que as paredes de separação 6 a tocam. As partes de alumínio da encapsu- lação 5 podem ser simplesmente produzidas com o projeto de placa impres- sa da placa de circuito impresso 2.

No lado traseiro da placa de circuito impresso 2, conforme mos- trado na figura 4, o quadro traseiro 5.2 é uma contraparte espelhada para o quadro dianteiro 5.1. Assim, as três câmaras 7, 8, 21 são continuadas para o lado traseiro da placa de circuito impresso 2. Se as coberturas traseira e di- anteira forem montadas, a encapsulação 5 compreendendo as câmaras 7, 8, 21 e o corpo de metal 5.3 atuará como uma gaiola de Faraday eficiente, con- forme descrito acima.

Claims (12)

1. Modem (1) em particular para uma comunicação de linha de potência submarina, que compreende os componentes eletrônicos (3, 4) em uma placa de circuito impresso (2) e uma encapsulação de metal (5), carac- terizado pelo fato de a referida encapsulação (5) formar pelo menos duas câmaras (7, 8) separadas por pelo menos uma parede (6), em que cada uma das referidas câmaras (7, 8) circunda pelo menos um dos referidos compo- nentes eletrônicos (3, 4).

2. Modem (1), de acordo com a reivindicação 1, em que as refe- ridas câmaras (7, 8) são dispostas em um primeiro lado da referida placa de circuito (2).

3. Modem (1), de acordo com a reivindicação 2, em que pelo menos uma das referidas câmaras (7, 8) é continuada em um segundo lado da referida placa de circuito (2).

4. Modem (1), de acordo com a reivindicação 3, em que a placa de circuito (2) subdivide a referida câmara continuada (7, 8) em duas partes.

5. Modem (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que pelo menos uma referida parede de separação (6) está em contato firme com a referida placa de circuito (2).

6. Modem (1), de acordo com a reivindicação 5, em que a placa de circuito (2) é provida em sua superfície com pelo menos uma zona de contato de metal para pelo menos a referida parede de separação (6).

7. Modem (1), de acordo com uma das reivindicações preceden- tes, em que a referida encapsulação (5) compreende uma cobertura diantei- ra, um quadro dianteiro em uma peça (5.1) para o primeiro lado da referida placa de circuito (2), um quadro traseiro em uma peça (5.2) para o segundo lado da referida placa de circuito (2) e uma cobertura traseira.

8. Modem (1), de acordo com a reivindicação 7, em que um lado plano de cada um dos referidos quadros (5.1, 5.2) está inteiramente em con- tato firme com a referida placa de circuito (2).

9. Modem (1), de acordo com uma das reivindicações preceden- tes, em que a referida encapsulação (5) compreende um corpo de metal (5.3) que circunda um componente de amplificador de potência (4).

10. Modem (1), de acordo com uma das reivindicações prece- dentes, que compreende pelo menos três câmaras (7, 8, 21), em que a pri- meira câmara (7) circunda componentes de envio e de recepção analógicos (4), e a segunda câmara (8) circunda componentes de analógico para digital e de digital para analógico (12, 14), e a terceira câmara (21) circunda um processador de sinal digital de freqüência alta (3), um arranjo de porta pro- gramável de campo (9) e um suprimento de potência DC/DC (23).

11. Modem (1), de acordo com uma das reivindicações prece- dentes, em que a encapsulação (5) consiste em alumínio.

12. Modem (1), de acordo com uma das reivindicações prece- dentes, a encapsulação (5) tem pelo menos uma espessura de 2 mm.