NO342281B1

NO342281B1 - Modem egnet for undervannskraftledningskommunikasjon

Info

Publication number: NO342281B1
Application number: NO20090804A
Authority: NO
Inventors: Vegard Horten; Vidar Steigen
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 2006-07-24
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2018-04-30
Also published as: CN101502195B; US8279614B2; US20090310317A1; WO2008011890A1; EP2044824B1; EP2044824A1; ATE544328T1; BRPI0621195A2; NO20090804L; BRPI0621195B1; CN101502195A

Abstract

Oppfinnelsen vedrører et modem, særlig for undersjøisk strømledningskommunikasjon. innbefattende elektroniske komponenter i et kretskort, og en metallinnkapsling. Innkapslingen danner minst to kamre som er skilt fra hverandre med minst én vegg. Hvert av kamrene omgir i det minste én av de elektroniske komponentene.

Description

Oppfinnelsen vedrører et modem, særlig for undersjøisk strømledningskommunikasjon, innbefattende elektroniske komponenter i et kretskort, og en metallinnkapsling.

Undersjøisk strømlinjekommunikasjon er en egen form for undervannskommunikasjon. Den benyttes fortrinnsvis ved undersøkelse og utnyttelse av gass- og oljefelt under havbunnen. Undersjøisk kommunikasjon brukes eksempelvis for sending av ulike data mellom overflatekontrollsteder og undersjøiske brønnhoder. Gass- og oljefelt som undersøkes eller utnyttes med bruk av elektronisk kommunikasjon med brønnhodene eller annet elektronisk utstyr, benevnes noen ganger ”elektroniske felt” (e-felt).

Det er kjent ulike metoder for undersjøisk kommunikasjon. På den ene siden finnes det elektriske eller optiske ledningsforbindelser, og på den annen side finnes det trådløse forbindelser. Ledningsforbindelsene kan deles i en første gruppe innbefattende kommunikasjonsledninger for elektroniske eller optiske komponenter, adskilt fra elektriske strømledninger, og en andre gruppe hvor strømledninger brukes for elektronisk kommunikasjon. I sistnevnte tilfelle er det fordelaktig ikke behov for egne kommunikasjonsledninger.

Eksempelvis beskrives det i US 2005/0243983 A1 et modem for mottak og sending av data fra og til en leder. Modemet innbefatter en utgangsdrift for sending av data til lederen, en mottaker for mottak av data fra lederen og impedanstilpassingsmidler for tilpassing av en impedans i en mottakerinngang med en impedans i lederen. En forsterkning av utgangsdriften, en mottaksforsterker og impedansen til mottaksinngangen kan innstilles i dette modemet.

Modemer benytter typisk et trykket kretskort (PCB) hvor det er plassert elektroniske komponenter, så som integrerte kretser (IC). Disse komponentene er vanligvis følsomme overfor elektromagnetisk stråling, særlig stråling i radiofrekvensområdet (RF-området), hvilket medfører elektronisk interferens og støy. Som følge herav påvirkes bitraten og driftsområdet til en modemforbindelse av den bestråling som de elektroniske komponentene utsettes for. Den negative innvirkningen av stråler øker når forbindelsene mellom de elektroniske komponentene virker som mottaksantenner. Derfor forsøker man å skjerme de elektroniske komponentene og de trykte kretskortene mot stråling.

De kjente modemer for undersjøisk strømlinjekommunikasjon bruker en metallboks som omgir det trykte kretskortet, for derved å skjerme de elektroniske komponentene og forbindelsene mellom dem mot ekstern radiofrekvensbestråling. Imidlertid er den mulige bitraten og det mulige driftsområdet til slike modemer begrenset som følge av metallboksinnkapslingens begrensede skjerming.

Publikasjonen GB-2355595 A beskriver et skjermende radiofrekvens-elektronisk apparat. Det er beskrevet et apparat som har moduler som opererer ved radiofrekvenser, med komponenter montert på et felles kretskort inneholdt i en ledende kapsling. Komponentene for hver modul er inneholdt av indre delevegger.

Publikasjonen US-5 010 529 A beskriver et undersjøisk signalapparat som innbefatter et vanntett hus med to kamre. I det ene kammeret er det anbrakt en transducer og assosiserte elektriske kretser, mens et batteri for å tilveiebringe elektrisk effekt er anordnet i det andre kammeret.

Det er en hensikt med oppfinnelsen å tilveiebringe et modem med bedret avskjerming, for på den måten i betydelig grad å kunne redusere elektronisk interferens og/eller støy.

Denne hensikt oppnås med et modem som angitt i patentkrav 1.

Fordelaktige videreutviklinger av oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige patentkravene.

Ifølge oppfinnelsen foreslås det at innkapslingen danner minst tre kamre som er adskilt fra hverandre med minst én vegg, idet hvert kammer omgir i det minste én av de elektroniske komponentene. I en slik løsning vil veggen mellom kamrene også skille mellom de elektroniske komponentene som er anordnet i de ulike kamrene, hvorved det tilveiebringes en bedret skjerming. Noen av de elektroniske komponentene vil selv emittere RF-stråler som påvirker de andre, slik at det derved oppstår elektronisk interferens og støy som nevnt foran. Denne virkningen er særlig merkbar for modemer hvor det brukes ortogonal frekvensdelingsmultipleksing (OFDM). Den foreslåtte innkapslingen vil ikke bare skjerme de elektroniske komponentene mot ekstern RF-stråling, men også innbyrdes, dvs. skjerme dem mot intern RF-stråling. Som følge herav vil forbindelsesbitraten og driftsområdet til modemet ifølge oppfinnelsen være betydelig øket sammenlignet med kjent teknikk.

I samsvar med oppfinnelsen omgir det første kammeret analoge sende- og mottakerkomponenter, det andre kammeret omgir analoge-til-digitale komponenter og digitale-til-analoge komponenter, mens det tredje kammeret omgir en høyfrekvent digital signalprosessor, et feltprogrammerbart portsett (gate array) og en likestrøm/likestrøm-tilførsel. Et minimum av elektronisk interferens oppnås ved at de mest kritiske komponentene er klart adskilt.

I en fordelaktig utførelse er kamrene anordnet på en første side av kretskortet. Dette gir en enkel oppbygging av innkapslingen og således av modemet.

I en mer avansert utførelse fortsetter i det minste ett av kamrene på en andre side av kretskortet. Det betyr at skilleveggen også fortsetter på den andre siden, og at kretskortet vil dele det fortsatte kammeret i to deler. Det nevnte kammeret vil derved helt omslutte den i det minste ene respektive elektroniske komponenten som et Faraday-bur. Dette bedrer avskjermingen med hensyn til RF-stråling. I tillegg kan innkapslingen og modemet gis en kompakt form fordi det trykte kretskortet støttes fra to sider.

En optimal skjerming oppnås med en utførelse hvor i det minste skilleveggen har tett kontakt med kretskortet. Avhengig av den virkelige frekvensen til den utsendte strålingen, vil skjermingskvaliteten degraderes i samsvar med størrelsen til hull eller gap i innkapslingen. En kraftig avskjerming oppnås når det foreligger en tett kontakt mellom skilleveggen eller til og med hele innkapslingen og kretskortet.

For optimal avskjerming er kretskortet på sin overflate utformet med minst én metallkontaktsone for i det minste den nevnte skilleveggen. Kortet kan ha ledende spor i indre lag, parallelt med sonene og i kontakt med disse, for derved å bedre avskjermingen. På denne måten vil også kretskortet i seg selv bidra til å bedre avskjermingen.

I en foretrukket utførelse innbefatter innkapslingen et frontdeksel, en enhetlig frontramme for kretskortets første side, en enhetlig baksideramme for kretskortets andre side, og et bakre deksel. En slik innkapsling er stabil, er lett å fremstille og er også lett å håndtere i forbindelse med monteringen på kretskortet. Dessuten vil den tilveiebringe et Faraday-bur som har en høy kvalitet.

Fordelaktig har én plan side av hver av de nevnte rammer fullstendig tett kontakt med kretskortet. Dette muliggjør en stabil og kompakt oppbygging av modemet fordi innkapslingen vil virke som en forsterkning av kretskortet.

I en spesiell utførelse innbefatter innkapslingen et metallegeme som omgir en strømforsterkningskomponent (PA). Strømforsterkere avgir store mengder tapsvarme. Ved at metallegemet omgir den forsterkede strømmen, kan strømforsterkeren både kjøles og i tillegg skjermes. Metallegemet fører tapsvarmen til innkapslingens ytre overflater. I tillegg til metallegemet, som ikke har noen elektrisk kontakt med strømforsterkeren, kan strømforsterkeren være direkte forbundet med den ytre innkapslingen ved hjelp av en varmesenke eller et varmerør som ikke berører metallegemet. Varmerøret er galvanisk isolert relativt den ytre innkapslingen.

Fordelaktig er innkapslingen av aluminium. Et slikt materiale er lett og ledende. Det danner derfor et høykvalitet- Faraday-bur med lav totalvekt for modemet.

For oppnåelse av kraftig avskjerming og høy stabilitet av innkapslingen, har innkapslingen fortrinnsvis minst en tykkelse på 2 mm.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere under henvisning til tegningen, hvor:

Fig. 1 viser et skjematisk frontriss av et generisk modem med en grunnleggende innkapsling,

Fig. 2 viser et blokkskjema for et undersjøisk strømledningsmodem,

Fig. 3 viser et skjematisk frontriss av det undersjøiske strømledningsmodemet, og

Fig. 4 viser et skjematisk riss av det undersjøiske strømledningsmodemet sett bakfra.

I samtlige tegningsfigurer er tilsvarende deler gitt de samme henvisningstall.

Fig. 1 tjener til forklaring av det oppfinnerikse prinsippet. Fig. i viser skjematisk et modem 1, innbefattende et trykket kretskort 2 forsynt med en høyfrekvent digital signalprosessor 3 (DSP) og en strømforsterker 4. Begge elektroniske komponenter er følsomme overfor elektromagnetisk RF-stråling, men sender også ut en egen og massiv elektromagnetisk stråling. En metallinnkapsling 5, hvis overflate er åpnet i figuren, omgir det trykte kretskortet fullstendig. Innkapslingen 5 består av to speilvendte skall (ikke vist i figuren). Begge skallene har en respektiv list som, når skallene settes sammen som vist, etablerer en vegg 6. Veggen 6 er kontinuerlig, bortsett fra et gjennomgående hull (ikke synlig) for det trykte kretskortet 2.

Innkapslingen 5 vil således, når den er plassert rundt det trykte kretskortet 2, danne et første kammer 7 og et andre kammer 8 som er adskilt fra hverandre med veggen 6. Hvert kammer 7, 8 omgir både frontsiden og baksiden av det trykte kretskortet 2. Det trykte kretskortet 2 er fiksert mellom skallene ved hjelp av søyler (ikke vist) som utgjør deler av innkapslingsskallene, og mellom listene.

Innkapslingen 5 med veggen 6 virker som et Faraday-bur som gir elektromagnetisk avskjerming av den digitale signalprosessoren 3 i det første kammer 7 med hensyn til stråling fra strømforsterkeren 4 i det andre kammeret 8, og vise versa. Dessuten vil innkapslingen 5 skjerme både den digitale signalprosessoren 3 og strømforsterkeren 4 mot ekstern elektromagnetisk stråling. Faren for elektronisk interferens og støy i disse elektroniske komponentene er derfor redusert betydelig.

Fig. 2 viser et blokkskjema for et undersjøisk strømledningsmodem. Modemet 1 innbefatter et feltprogrammerbart portsett 9 (FPGA), en digital signalprosessor 3, en analog-til-digital prosesseringsledning 10 og en digital-til-analog prosesseringsledning 11. En analog-til-digital omformer 12 (ADC) og en lavstøyforsterker 13 (LNA) utgjør en del av den analog-til-digital prosesseringsledningen 10. En digital-til-analog omformer 14 (DAC) og en strømforsterker 4 utgjør en del av digital-til-analog prosesseringsledningen 11. Begge prosesseringsledningene 10 og 11 er forbundet med en diplekser 16 via et differensialgrensesnitt (ikke vist). Modemet kan ved hjelp av diplekseren 16 forbindes med den undersjøiske strømledningen (ikke vist). Det feltprogrammerbare portsettet 9 tilveiebringer to uavhengige toveisrettede, eksterne seriegrensesnitt, en RS-485-forbindelse 17 som kan forbindes med en såkalt PROFIBUS for binære lastdata, og én RS-232-forbindelse 18 for diagnostiske data. Komponentene er montert på begge sider av et enkelt sekslags trykket kretskort (ikke vist i denne figuren).

På den ene siden vil det feltprogrammerbare portsettet 9 tilveiebringe et OFDM-modulert signal fra de binære data som oppnås fra RS-484-forbindelsen 17, og om nødvendig, fra diagnostiske data oppnådd fra RS-232-forbindelsen 18. Disse dataene moduleres i det elektriske signalet i strømledningen. På den annen side vil det feltprogrammerbare portsettet 9 demodulere et OFDM-modulert signal oppnådd fra strømledningen via diplekseren 16, til binære lastdata og, om nødvendig, til diagnostiske data som utganger til henholdsvis RS-485-forbindelsen 17 og RS-232-forbindelsen 18. Da beregningskostnader er store for OFDM, bruker det feltprogrammerbare portsettet 9 den digitale signalprosessoren 3 både for moduleringen og demoduleringen. Diplekseren 16 kan forbinde RF-modemet med begge ender av en strømledning på en slik måte at to modemer kan kommunisere med hverandre samtidig som ledningen også brukes for strømlevering.

Med OFDM, som i seg selv er kjent fra fjernsynssending, sender det transmitterende modemet på multiple ulike ortogonale frekvenser som benevnes som bærebånd eller –kanaler. To bærebånd er ortogonale dersom de er uavhengig av hverandre uansett deres relative faseforhold. De binære dataene moduleres i det elektriske signalet i form av såkalte OFDM-symboler.

Fig. 3 viser et skjematisk frontriss av modemet 1 i fig. 2. De elektroniske komponentene er plassert på begge sider av det trykte kretskortet 2, som har seks lag og dimensjoner på eksempelvis 100 mm x 160 mm og overskrider tverrsnittet til innkapslingen 5. Bare to D-SUB-porter 19 og 20 er anordnet utenfor innkapslingen 5. Eksternt tilveiebringer disse RS-485-forbindelsen og RS-232-forbindelsen (ikke vist i denne figuren).

Innkapslingen 5 består av vannstråletilkuttet aluminium, med fem deler: en enhetlig frontramme 5.1, et frontdeksel (ikke vist), en enhetlig bakramme 5.2 (i denne figuren skjult bak det trykte kretskortet 2 – se fig. 4), et bakre deksel (ikke vist) og et enhetlig metallegeme 5.3. Samtlige deler har boringer 2 NOE MANGLER PÅ BÅNDET.

kortet 2 ved hjelp av skruer. Frontrammen 5.1 har mellomvegger 6 som deler det indre av frontrammen 5.1 i tre separate kamre 7, 8 og 21. Det første kammer 7 omgir analoge sendekomponenter, så som strømforsterkeren 4, og mottakerkomponenter, så som lavstøyforsterkeren 13. Det andre kammeret 8 omgir analogtil-digital omformeren 12 og digital-til-analog omformeren 14 så vel som en lavstøyforsterker 13. Det tredje kammeret 21 omgir den digitale signalprosessoren 3, det feltprogrammerbare portsettet 9 og en likestrøm/likestrøm-tilførsel 23.

Metallegemet 5.3 omgir bare strømforsterkeren 4 i det første kammeret 7.

Frontrammen 5.1, den bakre rammen 5.2 og dekslene har en minste tykkelse på 2 mm. Frontrammen 5.1 har eksempelvis en høyde på 20 mm og den bakre rammen 5.2 har eksempelvis en høyde på 5 mm. Frontrammen 5.1 er montert med skruer som er ført gjennom boringene 22 i det bakre dekslet, den bakre rammen 5.2, det trykte kretskortet 2 og inn i frontrammen 5.1. På denne måten er derfor begge rammene 5.1 og 5.2 i tett kontakt med det trykte kretskortet 2. Frontdekselet er montert direkte på frontrammen 5.1 med skruer gjennom boringene 22 i frontdekselet og inn i frontrammen 5.1. En varmeledende pute skal monteres nøyaktig der hvor metallegemet 5.3 når frontdekselet. Metallegemet 5.3 er montert rundt strømforsterkeren ved hjelp av skruer som går gjennom det trykte kretskortet 2 og inn i metallegemet 5.3. Det trykte kretskortet 2 har metallkontaktsoner i områder hvor skilleveggene 6 får berøring med dem. Innkapslingens aluminiumdeler kan fremstilles på enkel måte med kortutformingen til det trykte kretskortet 2.

På baksiden av det trykte kretskortet 2, som vist i fig. 4, her den bakre rammen 5.2 anordnet som en speilbildedel av frontrammen 5.1. De tre kamrene 7, 8, 21 fortsetter derfor til baksiden av det trykte kretskortet 2. Når det bakre og det fremre dekselet er montert, vil innkapslingen 5 med kamrene 7, 8, 21 og metallegemet 5.3 virke som et effektivt Faraday-bur, slik det er beskrevet foran.

Claims

PATENTKRAV

1. Modem (1), særlig for undersjøisk strømledningskommunikasjon, innbefattende elektroniske komponenter (3, 4) i et kretskort (2), og en metallinnkapsling (5), hvor innkapslingen (5) danner minst tre kamre (7, 8, 21) som er adskilt med minst én vegg (6), og hvor hvert kammer (7, 8, 21) omgir i det minste én av de elektroniske komponentene (3, 4),

k a r a k t e r i s e r t v e d at det første kammeret (7) omgir analoge sende- og mottakerkomponenter (4), og det andre kammeret (8) omgir analog-til-digital- og digital-til-analog-komponenter (12, 14), og det tredje kammeret (21) omgir en høyfrekvens-digital signalprosessor (3), en feltprogrammerbar gate array (9) og en likestrøm/likestrøm-kilde (23).

2. Modem (1) ifølge krav 1,

k a r a k t e r i s e r t v e d at de nevnte kamrene (7, 8) er anordnet på en første side av kretskortet (2).

3. Modem (1) ifølge krav 2,

k a r a k t e r i s e r t v e d at minst ett av kamrene (7, 8) fortsetter på en andre side av kretskortet (2).

4. Modem (1) ifølge krav 3,

k a r a k t e r i s e r t v e d at kretskortet (2) deler det fortsatte kammeret (7, 8) i to deler.

5. Modem (1) ifølge et av de foregående krav,

k a r a k t e r i s e r t v e d at i det minste skilleveggen (6) har tett kontakt med kretskortet (2).

6. Modem (1) ifølge krav 5,

k a r a k t e r i s e r t v e d at kretskortet (2) på sin overflate er forsynt med minst én metallkontaktsone for i det minste skilleveggen (6).

7. Modem (1) ifølge et av de foregående krav,

k a r a k t e r i s e r t v e d at innkapslingen (5) innbefatter et frontdeksel, en enhetlig frontramme (5.1) for kretskortets (2) første side, en enhetlige bakre ramme (5.2) for kretskortets (2) andre side, og et bakre deksel.

8. Modem (1) ifølge krav 7,

k a r a k t e r i s e r t v e d at en plan side av hver av rammene (5.1, 5.2) har fullstendig tett kontakt med det nevnte kretskortet (2).

9. Modem (1) ifølge et av de foregående krav,

k a r a k t e r i s e r t v e d at innkapslingen (5) innbefatter et metallegeme (5.3) som omgir en strømforsterkerkomponent (4).

10. Modem (1) ifølge et av de foregående krav,

k a r a k t e r i s e r t v e d at innkapslingen (5) er av aluminium.

11. Modem (1) ifølge et av de foregående krav,

k a r a k t e r i s e r t v e d at innkapslingen (5) i det minste har en tykkelse på 2 mm.