DE4001266C2 - Verfahren und Sendeeinrichtung zur Übertragung digitaler Informationen über Stromversorgungsnetze - Google Patents

Verfahren und Sendeeinrichtung zur Übertragung digitaler Informationen über Stromversorgungsnetze

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Übertragung digitaler Informationen über Stromversorgungsnetze mit der Bandspreiztechnik pseudozufällige Frequenzsprungmodulation sowie auf eine Sendeeinrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens.
Es ist bekannt, zur Informationsübertragung über Strom­ versorgungsnetze Systeme mit schmalbandiger oder auch mit breitbandiger, bandspreizender Modulation einzusetzen. Bekannte Einrichtungen zur Sendesignalerzeugung in Band­ spreizsystemen mit pseudozufälliger Frequenzsprungmodula­ tion sind sehr aufwendig und verursachen hohe Kosten. Dadurch wurde bisher die Einführung derartiger Systeme verhindert, obwohl ein Bedarf dafür gegeben ist.
Die hohen Anforderungen, die an Einrichtungen zur Signal­ erzeugung (Frequenzsynthese) in einem Bandspreizsystem mit Frequenzsprungmodulation gestellt werden, verdeutlicht das folgende Beispiel:
Ausgangspunkt der Betrachtungen ist die Übertragung binärer Informationen mit schnellen Frequenzsprüngen, d. h. während der Dauer TB eines Datenbits wird die Sendefrequenz sprung­ artig n-mal gewechselt, mit n=3, 5, 7... Je größer n gewählt wird, umso störresistenter erfolgt die Informationsüber­ tragung. Bei fester Datenrate rD=1/TB ist n durch die verfügbare Bandbreite B einerseits und durch die Grenzen der Präzision bei der Synchronisation andererseits be­ schränkt. Auf Stromversorgungsleitungen ist das für Informationsübertragung verfügbare Frequenzband durch Vorschriften der Deutschen Bundespost auf 30 kHz bis 146 kHz festgelegt: daraus ergibt sich die verfügbare Bandbreite B=116 kHz.
Wenn beispielsweise binäre Informationen mit einer Daten­ rate (Bitrate) rD=60 bit/s mittels Frequenzsprungverfahren zu übertragen sind, wobei n=5 Frequenzsprünge während einer Datenbitdauer TB erfolgen sollen, dann ist die Frequenzsprungrate h=300 s-1.
Die Nachrichtentheorie besagt, daß in einem Frequenzband der Breite B=116 kHz bei der Frequenzsprungrate h=300 s-1 maximal eine Anzahl
N=INT { B/h } = INT { 116 000/300 } = 386 Signale
mit jeweils um 300 Hz versetzter Frequenz gleichzeitig ohne gegenseitige Störbeeinflussung über­ tragen und von geeigneten Empfängern fehlerfrei detektiert werden können (INT { · } bedeutet ganzzahliger Anteil von { · } ).
An den Leitungen eines Stromnetzes, z. B. in einem weit­ läufigen Gebäude, könnten entsprechend obigem Beispiel maximal N/2=193 Übertragungskanäle mit einer Datenrate von je 60 bit/s ohne gegenseitige Störbeeinflussung gleich­ zeitig aktiv sein. Entscheidende Voraussetzung dafür ist aber eine hochpräzise Signalerzeugung und das genaue Einfügen der Sendesignale aller Sender in ein globales Zeitraster auf der Sendeseite und eine entsprechend präzise Signalverarbeitung in jedem Empfänger.
Die Aufgaben von Sendeeinrichtungen in Bandspreizsystemen mit pseudozufälliger Frequenzsprungmodulation zur Über­ tragung digitaler Informationen über Stromversorgungs­ leitungen bestehen daher generell in der Erzeugung einer Vielzahl von Signalen mit eng benachbarten Frequenzen, wobei hohe Stabilität der Frequenzen und die Fähigkeit zu raschem Wechsel ohne Ein- und Ausschwingvorgänge gegeben sein muß. Darüber hinaus hat jeder Sender seine Sendesignale genau in ein globales Zeitraster einzuordnen, um Frequenzüberschneidungen mit seinen Nachbarn sicher zu vermeiden.
Aufgabe der Erfindung ist es demnach, ein Verfahren zur Übertragung digitaler Informationen über Stromversorgungs­ netze sowie eine Sendeeinrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens zu schaffen, das diesen Anforderungen gerecht wird. Vor allem soll hierbei erreicht werden, daß Stö­ rungen auf den Stromversorgungsleitungen keinen ungünsti­ gen Einfluß ausüben und daß trotz der widrigen Übertragungs­ eigenschaften dieser Leitungen eine zuverlässige Kommuni­ kation möglich ist.
Gemäß der Erfindung ist das Verfahren zur Übertragung digitaler Informationen über Stromversorgungsnetze mit der Bandspreiztechnik pseudozufällige Frequenzsprungmodulation dadurch gekennzeichnet, daß eine digitale Rechen- und Steuereinheit, wie z. B. ein Mikrocontroller, ein Mikropro­ zessor oder eine Digitalschaltung vergleichbarer Funktion die auszusendenden Frequenzen mit Hilfe von in einem an diese angeschlossenen Speicher abgelegten Abtastwerten digital synthetisiert, indem nach jedem Frequenzsprung ein bestimmter Speicherbereich adressiert und solange zyklisch ausgelesen wird, bis ein erneuter Frequenzsprung erfolgt, daß die Abtastwerte an den Eingang eines Digital/ Analogwandlers transferiert werden, dessen Ausgangssignal nach Filterung das gewünschte Bandspreizsignal ist und daß der digitalen Rechen- und Steuereinheit eine aus der Netzwechselspannung des Stromversorgungsnetzes abge­ leitete Impulsfolge zur Synchronisation zugeführt wird.
Vorteilhafte Verfahrensschritte sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Die Sendeeinrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine digitale Rechen- und Steuereinheit, wie z. B. einen Mikrocontroller, einen Mikroprozessor oder eine Digitalschaltung vergleichbarer Funktion, mittels der die auszusendenden Frequenzen mit Hilfe von in einem an diese angeschlossenen Speicher abgelegten Abtastwerten digital synthetisierbar sind, indem nach jedem Frequenzsprung ein bestimmter Speicher­ bereich adressiert und solange zyklisch ausgelesen wird, bis ein erneuter Frequenzsprung erfolgt, einem der Rechen- und Steuereinheit nachgeschalteten Digital/Analogwandler, dessen Ausgangssignal nach Filterung das gewünschte Band­ spreizsignal ist, sowie einem Nulldurchgangsdetektor, mittels dem der digitalen Rechen- und Steuereinheit eine aus der Netzwechselspannung des Stromversorgungsnetzes abgeleitete Impulsfolge zur Synchronisation zuführbar ist, wobei am Ausgang der Sendeeinrichtung eine Sendeendstufe mit digital oder analog einstellbarer Leistung angeschlos­ sen ist, deren Sendesignale über eine Koppeleinrichtung in das Stromversorgungsnetz einspeisbar sind. Auch kann dem Digital/Analogwandler ein Tiefpaß nachgeschaltet und die Sendeeinrichtung mit einer Vorrichtung zur hardwaremäßigen Erzeugung eines ersten Abtastwertes einer jeden auszu­ sendenden Frequenz versehen sein.
Mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Sende­ einrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens ist es auf einfache Weise möglich, über Stromversorgungsleitungen eine zuverlässige Kommunikation herzustellen, ohne daß diese durch Störungen auf den Leitungen beeinflußt wird. Des weiteren ist die gleichzeitige Aktivität mehrerer derartiger Informationsübertragungssysteme am gleichen Stromnetz ohne gegenseitige Störbeeinflussung möglich. Und da der Material- und Fertigungsaufwand der Sendeeinrichtung gering ist, ist auch eine kostengünstige Herstellung in großen Stückzahlen ohne Schwierigkeiten zu bewerkstelligen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der gemäß der Erfindung ausgebildeten Sendeeinrichtung zur Ubertra­ gung digitaler Information über Stromversorgungsnetze dar­ gestellt, das nachfolgend im einzelnen erläutert ist.
Die mit 1 bezeichnete Sendeeinrichtung dient zur Über­ tragung digitaler Informationen über ein Stromversorgungs­ netz 10 und weist eine digitale Rechen- und Steuereinheit 11, wie z. B. einen Mikrocontroller, einen Mikroprozessor oder eine Digitalschaltung vergleichbarer Funktion - etwa ein anwendungsspezifischer Baustein (ASIC) in Form eines Gate Array, eines Cell Array oder eines Full Custom IC - auf, die die auszusendenden Frequenzen mit Hilfe von in einem Speicher abgelegten Abtastwerten digital syntheti­ siert, indem nach jedem Frequenzsprung ein bestimmter Speicherbereich adressiert und solange zyklisch ausgelesen wird, bis ein erneuter Frequenzsprung erfolgt. Der Abtast­ wertespeicher kann dabei gleichzeitig der Programmspeicher des Mikrocontrollers oder Mikroprozessors sein. Die über eine Signalleitung 13 sowie ein Leitungsbündel 14 der Rechen- und Steuereinheit 11 zugeführten Eingangssignale "Nachricht" und "Adresse" werden von dieser in eine entsprechende digi­ tale Abtastwertfolge umgesetzt, die über ein Leitungsbündel 15 an den Eingang eines Digital/Analogwandlers 21 transfe­ riert wird, dessen Ausgangssignal in einem nachgeschalte­ ten Tiefpaß 23 gefiltert und über eine Leitung 24 einer Sendeendstufe 27 zugeführt wird. Nach Verstärkung wird das Sendesignal über einen breitbandigen Koppler 29 in das Stromnetz 10 eingespeist.
Zur Generierung eines passenden Zeitrasters für eine globale Synchronisation wird der Rechen- und Steuereinheit 11 eine mittels eines Nulldurchgangsdetektors 19 aus der Netzwechselspannung abgeleitete Impulsfolge über eine Signalleitung 20 zugeführt. Der Nulldurchgangsdetektor 19 ist dazu über eine Leitung 18 an das Stromversorgungsnetz 10 angeschlossen. Es ist vorteilhaft, den Abstand zwischen je zwei Nulldurchgängen in der Rechen- und Steuereinheit 11 zunächst in drei oder ein ganzzahliges Vielfaches von drei gleiche Teilintervalle - z. B. mit Hilfe von in der Rechen- und Steuereinheit 11 integrierten Timern - einzu­ teilen. Die Dauer eines derartigen Teilintervalls entspricht nun dem zeitlichen Abstand zwischen zwei Frequenzsprüngen - oder anders ausgedrückt - dem Kehrwert der Frequenz­ sprungrate h. In die Dauer TB eines zu übertragenden Daten­ bits paßt stets eine ganze Anzahl n solcher Teilintervalle.
Beim Einsatz eines Mikrocontrollers, eines Mikroprozessors oder einer Digitalschaltung vergleichbarer Funktion in der Rechen- und Steuereinheit 11 ist es vorteilhaft, den ersten Abtastwert einer jeden auszusendenden Frequenz, der vorzugsweise Null ist, per Hardware mit Hilfe einer Vorrichtung 25 zu erzeugen und nicht aus dem Speicher der Steuer- und Recheneinheit 11 auszulesen. Die Vorrichtung 25 ist ein elektronischer Schalter, der über eine Steuer­ leitung 17 mit der Rechen- und Steuereinheit 11 verbunden ist und von dieser veranlaßt wird, jeweils zu Beginn der Aussendung eines Signals einer neuen Frequenz für die Dauer eines Abtastintervalls ein dem Wert Null ent­ sprechendes Signal an den Eingang des Tiefpasses 23 anzulegen und ansonsten den Signalweg vom Digital/Analog­ wandler 21 über die Leitung 22 zum Tiefpaß 23 freizugeben. Die Vorrichtung 25 ist hierbei über eine Leitung 26 an die den Digital/Analogwandler 21 mit dem Tiefpaß 23 ver­ bindende Leitung 22 angeschlossen.
Dadurch ist sichergestellt, daß beim programmgesteuerten zyklischen Auslesen des zu einer Sendefrequenz gehörenden Speicherbereiches in der Rechen- und Steuereinheit 11 aufgrund eines zusätzlich nötigen Verzweigungsbefehls im Programm - um von der letzten Adresse des auszulesenden Speicherbereiches wieder auf die erste zu gelangen - keine Zeitlücke zwischen dem letzten und dem ersten Abtastwert entsteht. Denn da der erste Abtastwert per Handware mit der Vorrichtung 25 erzeugt wird, bleibt der Rechen- und Steuereinheit 11 hinreichend Zeit für die nötige Programmverzweigung.
Neben der zu sendenden Nachricht, die über die Signalleitung 13 eingespeist wird, ist der Rechen- und Steuereinheit 11 eine z. B. mit einem Dual-In-Line (DIL) -Schalter ein­ stellbare Adresse über das Leitungsbündel 14 zuführbar. Mit der Adresse ist empfängerseitig die Identifikation des Senders möglich.
Darüber hinaus ist beispielsweise bei Anwendungen zur Fernablesung von Verbrauchszählern ein Eingang 12 der Rechen- und Steuereinheit 11 für die Zuführung eines Startimpulses vorgesehen. Der Startimpuls aktiviert einen Zeitgeber in der Rechen- und Steuereinheit 11, der nach einer vorgebbaren Zeit die Sendeeinrichtung aktiviert und sie zur Aussendung von Adresse und Information z. B. Stand eines Verbrauchszählers für Strom, Wasser, Gas, Fernwärme oder dgl. veranlaßt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die ins Stromversorgungsnetz 10 über eine Leitung 28 abge­ gebene Leistung der Sendeendstufe 27 über eine oder mehrere Steuerleitungen 16 von der Rechen- und Steuer­ einheit 11 aus schnell verändert werden kann, so daß die einzelnen gesendeten Signale verschiedener Frequenz mit unterschiedlicher Leistung gesendet werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden im Abtastwertespeicher der Rechen- und Steuereinheit 11 nicht die Abtastwerte einzelner sinusförmiger Signale unterschiedlicher Frequenz nacheinander abgelegt und jeweils während eines Zeitintervalls der Dauer T=TB/n ausgelesen, sondern es werden z. B. die Abtastwerte einer Summe von M sinusförmigen Signalen so gespeichert, daß das zyklische Auslesen dieses Speicherbereiches während eines Zeitintervalls der Dauer T zum Aussenden einer Summe von M sinusförmigen Signalen verschiedener Frequenz im Zeitintervall T führt. Man spricht in diesem Fall von M-ärer Übertragung, im Gegensatz zur binären Übertragung. Während bei binärer Übertragung im Zeitinter­ vall T höchstens 1 bit an Information übertragen werden kann, sind es im M-ären Fall M bit.

Claims (11)

1. Verfahren zum Senden digitaler Informationen über Stromversorgungsnetze in Verbindung mit schnellen Frequenzsprüngen, durch die während der Dauer eines Datenbits die Sendefrequenz sprungartig n-mal gewechselt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine digitale Rechen- und Steuereinheit (11), wie z. B. ein Mikrocontroller, ein Mikroprozessor oder eine Digitalschaltung vergleichbarer Funktion, die auszusendenden Frequenzen mit Hilfe von in einem Speicher abgelegten Abtastwerten digital synthetisiert, indem nach jedem Frequenzsprung ein bestimmter Speicherbereich adressiert und solange zyklisch ausgelesen wird, bis ein erneuter Frequenzsprung erfolgt, daß die Abtastwerte an den Eingang eines Digital/ Analogwandlers (21) transferiert werden, dessen Ausgangssignal nach Filterung das gewünschte Bandspreizsignal ist, und daß der digitalen Rechen- und Steuereinheit (11) eine aus der Netzwechselspannung des Stromversorgungsnetzes (10) abgeleitete Impulsfolge zur Synchronisation zugeführt wird.
2. Übertragungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl der auszusendenden Frequenzen nach Maßgabe einer Spreizungsfunktion, die einer zu über­ tragenden Nachricht jeweils einen Satz von Signalen verschiedener Frequenz zuordnet, erfolgt.
3. Übertragungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronisation die Nulldurchgänge der Netz­ wechselspannung mit einem Nulldurchgangsdetektor (19) detektiert werden, dessen Ausgangssignale der digitalen Rechen- und Steuereinheit (11) zugeführt werden, in der der Abstand zwischen je zwei Nulldurchgängen vorzugs­ weise in drei oder ein ganzzahliges Vielfaches von drei gleiche Teilintervalle eingeteilt wird, wobei die Dauer eines solchen Teilintervalls dem Zeitabstand zwischen zwei Frequenzsprüngen entspricht, und eine ganze Anzahl solcher Teilintervalle der zu übertragenden Nachricht zugeordnet ist.
4. Übertragungsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abtastwert einer jeden auszusendenden Frequenz, der vorzugsweise Null ist, per Hardware (Vorrichtung 25) erzeugt wird.
5. Übertragungsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß neben der zu sendenden Nachricht eine einstellbare Adresse sowie ein Startimpuls in die digitale Rechen- und Steuereinheit (11) eingegeben werden und daß der Startimpuls einen Zeitgeber startet, der die Sendeein­ richtung (1) nach einer vorgebbaren Zeit aktiviert und die Aussendung von Adresse und Nachricht veranlaßt.
6. Übertragungsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der Sendeeinrichtung (11) eine Sendeend­ stufe (27) mit digital oder analog einstellbarer Leistung angeschlossen ist, mittels der die einzelnen Signale verschiedener Frequenz mit unterschiedlicher Leistung gesendet werden können, und daß die Sendesignale über eine Koppeleinrichtung (29) in das Stromversorgungs­ netz (10) eingespeist werden.
7. Übertragungsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Speicher der digitalen Rechen- und Steuerein­ heit (11) die Abtastwerte von Kombinationen mehrerer Signale unterschiedlicher Frequenz, z. B. Summen oder Differenzen, in verschiedenen Speicherbereichen abgelegt sind, und daß durch zyklisches Auslesen eines solchen Speicherbereiches jeweils eine bestimmte Signalkombina­ tion, bestehend aus mehreren Signalen unterschiedlicher Frequenz, ins Stromversorgungsnetz (10) abgegeben wird.
8. Sendeeinrichtung zur Übertragung digitaler Informationen über Stromversorgungsnetze mit der Bandspreiztechnik pseudozufällige Frequenzsprungmodulation, gekennzeichnet durch eine digitale Rechen- und Steuereinheit (11), wie z. B. einen Mikrocontroller, einen Mikroprozessor oder eine Digitalschaltung vergleichbarer Funktion, mittels der die auszusendenden Frequenzen mit Hilfe von in einem an diese angeschlossenen Speicher abgelegten Abtastwerten digital synthetisierbar sind, indem nach jedem Frequenzsprung ein bestimmter Speicherbereich adressiert und solange zyklisch ausgelesen wird, bis ein erneuter Frequenzsprung erfolgt, einen der Rechen- und Steuereinheit (11) nachgeschalteten Digital/Analog­ wandler (21) , dessen Ausgangssignal nach Filterung das gewünschte Bandspreizsignal ist, sowie einen Null­ durchgangsdetektor (19), mittels dem der digitalen Rechen- und Steuereinheit (11) eine aus der Netzwechsel­ spannung des Stromversorgungsnetzes (10) abgeleitete Impulsfolge zur Synchronisation zuführbar ist.
9. Sendeeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der Sendeeinrichtung (1) eine Sendeend­ stufe (27) mit digital oder analog einstellbarer Leistung angeschlossen ist und daß deren Sendesignale über eine Koppeleinrichtung (29) in das Stromversorgungsnetz (10) einspeisbar sind.
10. Sendeeinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Digital/Analogwandler (21) ein Tiefpaß (23) nachgeschaltet ist.
11. Sendeeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit einer Vorrichtung (25) zur Erzeugung eines ersten Abtastwertes einer jeden auszusendenden Frequenz versehen ist.
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