PL210711B1 - Urządzenie komunikacyjne - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie komunikacyjne, na liniach energetycznych. Ogólnie rzecz biorąc, takie urządzenie komunikacyjne jest stosowane w systemie energetycznym, a zwłaszcza do równoczesnego nadawania i odbioru sygnałów z danymi cyfrowymi zarówno z dużymi prędkościami, jak i na duże odległości poprzez linie energetyczne i transformatory w liniach energetycznych, włącznie z kablami prądu przemiennego, prądu stałego, koncentrycznymi i skrętkami dwużyłowymi.

W dziedzinie komunikacji w systemach energetycznych znane są nośniki na linii energetycznej. Zasadniczym elementem takiego nośnika na linii energetycznej jest terminal nadawczo-odbiorczy, zawierający jedną lub większą liczbę pułapek liniowych, jeden lub większą liczbę kondensatorów sprzęgających, oraz sprzęt do strojenia i sprzęgania. Szczegółową informację odnośnie opisu i typowej struktury konwencjonalnych nośników na linii energetycznej można znaleźć w Fundamentals Handbook of Electrical and Computer Engineering Volume II: Communication Control Devices and Systems (Poradnik podstaw technik elektrycznych i komputerowych, t. II: Urządzenia i systemy sterowania komunikacją), John Wiley & Sons, 1983, str. 617-627. Znacznym problemem związanym ze znanymi nośnikami linii energetycznych jest związane z nimi wymaganie stosowania jednej lub większej liczby pułapek liniowych, jednego lub większej liczby kondensatorów, jednego lub większej liczby transformatorów sprzęgających lub układów hybrydowych częstotliwości nośnej i kabli połączeń częstotliwościowych.

Każdy tradycyjny sprzęgacz zawiera transformator z rdzeniem ferrytowym lub żelaznym, który powoduje zniekształcenia sygnału związane z nieliniowością charakterystyki fazowej transmitancji między sprzęgaczem nadawczym a sprzęgaczem odbiorczym. Zniekształcenia powstają w obecności materiału rdzenia magnetycznego, wykazującego histerezę. W przypadku nośników linii energetycznych, zniekształcenia są szczególnie silne, ponieważ sygnał musi rozchodzić się przez przynajmniej trzy takie elementy nieliniowe, transformator rozdzielczy i dwa sprzęgacze linii energetycznej, w których stosowane są transformatory z rdzeniami ferrytowymi. Zniekształcenia powodowane przez te elementy nieliniowe prowadzą do opóźnieniowych zniekształceń obwiedni, co ogranicza prędkość komunikacji.

Główne wady znanych konstrukcji wynikają ze stosowania rdzeni ferrytowych lub transformatorów z rdzeniem żelaznym. Indukcyjność uzwojenia pierwotnego L1, wskutek nieliniowości rdzenia zmienia się do pewnej wartości nieznanej. Wynika stąd rozstrojenie względem pożądanej częstotliwości nośnej. Również impedancja uzwojenia pierwotnego na pożądanej częstotliwości nośnej przestaje być dopasowana do impedancji charakterystycznej linii energetycznej. Rozpatrując ten fakt, w innych konstrukcjach próbowano zapewniać sprzężenie dla sygnału z małą impedancją wejściową urządzenia nadawczo-odbiorczego przez stosowanie dużego kondensatora sprzęgającego (ok. 0,5 μF). Powoduje to duże straty sprzężenia sięgające 20 dB na częstotliwości nośnej.

W amerykańskim zgłoszeniu patentowym nr 09/344 258, ujawniono opis nowego sprzęgacza linii energetycznej, telefonicznej, skrętkowej i koncentrycznej o liniowej charakterystyce przesunięcia fazowego do zarówno nadawania, jak i odbioru. Sprzęgacz o liniowym przesunięciu fazowym zawiera transformator powietrzny lub o rdzeniu dielektrycznym, który może być wykorzystywany w linii telefonicznej, koncentrycznej, sieci LAN i do komunikacji na linii energetycznej, przez transformatory linii energetycznej. Sprzęgacz o liniowym przesunięciu fazowym ponadto zawiera przyporządkowany do niego układ kondensatorów sprzęgających, w celu osiągnięcia dopasowania rezystancyjnego, w przybliżeniu do najniżej znanej wartości impedancji charakterystycznej linii, i maksymalizacji stabilnej transmisji sygnału do linii. Ten rezonans w rzeczywistości powoduje utworzenie filtru pasmowego dla częstotliwości nośnej.

Konstrukcje według amerykańskiego zgłoszenia patentowego nr 09/344 258 rozwiązały wiele problemów związanych z poprzednimi konstrukcjami, w których wykorzystywano sprzęgacze ferrytowe lub z żelazem, które rezonowały z impedancją charakterystyczną linii energetycznej, powodując powstawanie wcięć i obniżeń charakterystyki, oraz nieliniowości nośnika transmisji przez różne linie, na przykład linie energetyczne. Sprzęgacz z liniowym przesunięciem fazowym według amerykańskiego zgłoszenia patentowego nr 09/344 258 nie posiada wcięć w paśmie komunikacyjnym, umożliwiając łączność liniową w bardzo szerokim paśmie częstotliwości.

Mimo wszystko występuje potrzeba opracowania systemu komunikacyjnego na linii energetycznej nadającego się do równoczesnego nadawania i odbioru sygnałów cyfrowych z danymi z wykorzystaniem wyższych częstotliwości (na przykład 200 MHz - 500 GHz), i umożliwieniem tym samym łączPL 210 711 B1 ności z większymi szybkościami przy wykorzystaniu dużych wartości szerokości pasma i na duże odległości przez linie energetyczne i transformatory linii energetycznej, z włączeniem linii prądu przemiennego, prądu stałego, kabli koncentrycznych i linii skrętkowych.

Podsumowując, znane jest urządzenie komunikacyjne, do transmisji sygnałów elektrycznych przez jedną lub więcej linii elektrycznych o pewnej impedancji charakterystycznej, zawierające sprzęgacz, do łączenia nadajnika lub odbiornika z jedną z linii elektrycznych, przy czym sprzęgacz jest dostosowany do przekazywania zmodulowanego sygnału na częstotliwości nośnej, mającej wybraną uprzednio częstotliwość większą lub równą 200 MHz, gdzie sprzęgacz zawiera transformator, posiadający pierwotne uzwojenie, wtórne uzwojenie i rdzeń, oraz kondensator sprzęgający.

Istotą wynalazku jest urządzenie komunikacyjne, do transmisji sygnałów elektrycznych przez jedną lub więcej linii elektrycznych o pewnej impedancji charakterystycznej, które charakteryzuje się według wynalazku tym, że transformator zawiera pierwszą warstwę, odpowiadającą pierwotnemu, i drugą warstwę , odpowiadają c ą uzwojeniu wtórnemu, przy czym pierwsza i druga warstwa ukształ towane są bezpośrednio w krzemie poprzez domieszkowanie krzemu, przy czym kondensator jest włączony pomiędzy uzwojenie pierwotne i linię elektryczną, gdzie uzwojenie pierwotne i kondensator są dopasowane do impedancji charakterystycznej linii w uprzednio wybranym paśmie.

Korzystnie, krzem znajduje się w warstwach, które są oddzielone przez warstwę nieprzewodzącego materiału czipu.

Korzystnie, transformator jest transformatorem powietrznym.

Korzystnie transformator jest transformatorem z rdzeniem dielektrycznym.

Korzystnie rdzeń transformatora jest wypełniony materiałem żywicznym.

Korzystnie uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne transformatora są oddzielone przez nieprzewodzącą warstwę materiału czipu.

Korzystnie, uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne są cylindryczne, tak że tworzą rurki.

Przedmiot wynalazku, w przykładzie realizacji, został bliżej objaśniony na załączonym rysunku, na którym:

fig. 1 jest graficznym przedstawienie impedancji charakterystycznej sprzęgacza według wynalazku, od strony linii energetycznej, fig. 2 jest schematem blokowym rozległej sieci komunikacyjnej na linii energetycznej według wynalazku, fig. 3 - jest schematem blokowym półdupleksowego modemu linii energetycznej według wynalazku, fig. 4 - jest schematem blokowym pełnodupleksowego modemu linii energetycznej według wynalazku, fig. 5 - jest schematem blokowym urządzenia do komunikacji na liniach energetycznych (ang. power line communications apparatus) według wynalazku, fig. 6 - schemat blokowy modulatora pracującego na pierwszej częstotliwości, do wykorzystania w urzą dzeniu do komunikacji na linii energetycznej z fig. 5, fig. 7 - schemat blokowy modulatora pracującego na drugiej częstotliwości, do wykorzystania w urzą dzeniu do komunikacji na linii energetycznej z fig. 5, fig. 8 - schemat blokowy demodulatora pracującego na pierwszej częstotliwości, do wykorzystania w urządzeniu do komunikacji na linii energetycznej z fig. 5, fig. 9 - schemat blokowy demodulatora pracującego na drugiej częstotliwości, do wykorzystania w urzą dzeniu do komunikacji na linii energetycznej z fig. 5, fig. 10 - schemat interfejsu sieci Ethernet, do wykorzystania w urządzeniu do komunikacji linii energetycznej z fig. 5, fig. 11 - schemat sprzęgacza, do wykorzystania w urządzeniu do komunikacji na linii energetycznej z fig. 5 na częstotliwościach z pierwszego zestawu, fig. 12 - schemat sprzęgacza, do wykorzystania w urządzeniu do komunikacji na linii energetycznej z fig. 5 na częstotliwościach z drugiego zestawu, a fig. 13 przedstawia schemat zasilacza, do wykorzystania w urządzeniu do komunikacji na linii energetycznej z fig. 5.

Rozwiązanie według wynalazku stanowi udoskonalenie rozwiązania sprzęgacza o liniowym przesunięciu fazowym z amerykańskiego zgłoszenia patentowego nr 09/344 258. Stwierdzono, że przy wykorzystywaniu wyższych częstotliwości (1 GHz - 500 GHz) z zastosowaniem sprzęgacza powietrznego lub z rdzeniem dielektrycznym otrzymuje się lepsze wyniki, ponieważ ma on szersze

PL 210 711 B1 pasmo i może zapewniać nadawanie na większe odległości. Sygnały wyższej częstotliwości powodują powstanie pola magnetycznego wokół dowolnego typu przewodu i rozchodzą się po powierzchni linii energetycznej jak fala magnetyczna i przeskakują transformatory. Zatem dla sygnałów o tak wysokich czę stotliwościach moż na osiągnąć transmisję na dalekie odległo ści w szerokim paśmie częstotliwości.

W środowisku kontrolowanym, jak na przykład w kablu koncentrycznym, sygnał wielkiej częstotliwości 1 GHz lub powyżej, przebywa tylko niewielką odległość zanim zaniknie. Dzieje się tak ze względu na to, że kabel koncentryczny ma dużą stałą indukcyjność szeregową L, i pewną pojemność równoległą C, które tworzą silnie działający filtr dolno-przepustowy, powodujący zanik sygnałów każdej częstotliwości na pewnej odległości. Kabel koncentryczny może wytwarzać tylko niewielkie pole magnetyczne wokół przewodnika środkowego, ponieważ jest on szczelnie ekranowany.

Inne środowisko stanowią linie energetyczne, które nie prowadzą po prostu od jednego punktu do drugiego, lecz raczej mają układ gwiazdowy. Linie energetyczne nie mają stałych wartości L i C, a zatem linia energetyczna sł abiej dział a jako filtr dolnoprzepustowy, niż kabel koncentryczny. Linie energetyczne nie są również ekranowane, a zatem przewód linii energetycznej może wytwarzać silniejsze pole magnetyczne wokół przewodu, niż kabel koncentryczny. Ponadto, impedancja charakterystyczna Zo linii energetycznych zmienia się zależnie od czasu i od miejsca oraz liczby przewodów połączonych ze sobą, i różni się w różnych punktach rozdzielczej sieci energetycznej. Odpowiednio do tego, propagacja pół elektrycznych/magnetycznych wzdłuż linii energetycznych nie jest tłumiona i takie sygnały mogą rozchodzić się dalej, niż w kablu koncentrycznym. Sygnały wielkiej częstotliwości mogą się również przedostać przez transformator linii energetycznej, który ma dla nich charakter dużego równoległego kondensatora, bez dużej straty natężenia sygnału, jeżeli stosuje się dopasowanie do linii energetycznej według niniejszego wynalazku.

Znaczenie sprzęgacza według wynalazku polega na tym, że może on pełnić funkcję urządzenia dopasowującego do charakterystyki impedancji linii energetycznej. Sprzęgacz według wynalazku zawiera transformator powietrzny lub z rdzeniem dielektrycznym i kondensator sprzęgający Ceq. Wszelkie zmiany po stronie pierwotnego uzwojenia transformatora nie wpływają znacznie na uzwojenie wtórne transformatora, i na odwrót. Zatem, jedyna impedancja, która będzie widoczna dla linii energetycznej, to uzwojenie pierwotne będące w rezonansie z kondensatorem Ceq. Taki rezonans szeregowy powoduje wystąpienie małej impedancji, o wartości bliskiej 1 Ω. W miarę wzrostu częstotliwości, impedancja rośnie do około 100 Ω -200 Ω, zależnie od impedancji optymalnej dla dopasowania charakterystyki impedancji linii energetycznej, i potrzebnej szerokości pasma.

Na przykład na fig. 1 pokazano impedancję charakterystyczną sprzęgacza od strony linii energetycznej. Jeżeli impedancja linii energetycznej wynosi 100 Ω przy F1, to wtedy dopasowanie 6 dB sprzęgacza wystąpi w zakresie od 50 Ω (F4) do 200 Ω (F3), z pokryciem pasma o szerokości od F3 do F4. W odróżnieniu od tego, jeżeli impedancja charakterystyczna linii energetycznej wynosi tylko 10 Ω, to dopasowanie 6 dB wystąpi w zakresie od 5 Ω do 20 Ω, dając w wyniku węższe pasmo. Obniżenie impedancji sprzęgacza może w rezultacie dać dopasowanie w szerszym zakresie z liniami energetycznymi o małej impedancji charakterystycznej (na przykład 10 Ω).

Dużą zaletą wynikającą ze stosowania sprzęgacza według wynalazku jest osiągana liniowość fazy.

W liniach energetycznych lokalna impedancja występuje co kilka stóp na innej częstotliwości. Najlepsze dopasowanie do linii energetycznej można osiągnąć przez zastosowanie elementów z cewkami (L) i kondensatorami (C), które nie zawierają rdzeni ferrytowych i żelaznych, ponieważ linia energetyczna składa się z elementów indukcyjnych i pojemnościowych, L i C. Ponadto, na końcu każdej nie zamkniętej linii powstają odbicia. Sprzęgacze z rdzeniami ferrytowymi lub żelaznymi mają również rezonanse własne wokół rozważanego pasma komunikacji. Rezonanse własne i odbicia w liniach energetycznych powodują wcięcia charakterystyki o zmiennej szerokości pasma. W przeciwieństwie do powyższego, sprzęgacz powietrzny lub z rdzeniem dielektrycznym według niniejszego wynalazku ma rezonans własny na częstotliwości znacznie wyższej, niż użyteczne pasmo częstotliwości, a sprzęgacz powietrzny dopasowany jest do lokalnej impedancji charakterystycznej linii energetycznej. Zatem, odbicia nie powodują powstawania ostrych wcięć charakterystyki w użytecznym paśmie częstotliwości.

Przy zastosowaniu sprzęgacza według wynalazku do dopasowania z linią energetyczną osiąga się nierównomierność pasma 6 dB do 10 dB. To dopasowanie można osiągnąć, kiedy impedancja charakterystyczna linii energetycznej zawiera się w zakresie od połowy pierwotnej impedancji charakPL 210 711 B1 terystycznej do dwukrotnej wartości tej pierwotnej impedancji sprzęgacza. Na przykład impedancja pierwotna sprzęgacza sięga od 1 Ω do 100 Ω dla pasma częstotliwości 18 - 30 MHz. Zakładając, że impedancja linii energetycznej wynosi 50 Ω przy 22 MHz i 10 Ω przy 20 MHz, to wokół 20 MHz otrzymamy dopasowanie od 25 Ω do 100 Ω, które pokryje zakres od około 21 do 30 MHz. Zakładając, że pierwotna impedancja sprzęgacza przy 20 MHz wynosi około 20 Ω, można osiągnąć dopasowanie w zakresie od około 18 do około 22 MHz. Zwykle dopasowanie wystąpi w zakresie od 18 MHz do około 22 MHz pasma 10 dB, bez wcięć.

Linie energetyczne mają typową impedancję wynoszącą 50 Ω do 100 Ω w przypadku linii podziemnych, i 100 Ω do 500 Ω w przypadku linii napowietrznych. Jednak wyłączniki automatyczne i podstacje podziemne z wieloma liniami zasilającymi mogą powodować, że w miejscu ich dołączenia impedancja charakterystyczna linii energetycznej wynosi zaledwie 1 Ω. Sprzęgacz jest przeznaczony do uwzględnienia najczęściej występującej impedancji lokalnej linii energetycznej. Na przykład jeżeli impedancja charakterystyczna linii energetycznej wynosi 80 Ω, to dopasowanie sześciodecybelowe można osiągnąć z zastosowaniem sprzęgacza powietrznego według niniejszego wynalazku między 40 Ω a 160 Ω. Linia energetyczna musi być dopasowana lokalnie, ponieważ lokalna impedancja linii energetycznej zmienia się co kilka stóp. Ponieważ wiadomo, że impedancja charakterystyczna linii energetycznej 120 V wynosi na przykład 80 Ω, to 80 Ω powinno być dobrą wartością dopasowania w dowolnym miejscu.

Ponieważ impedancja wtórna nie zmienia się znacznie ze zmianą impedancji charakterystycznej linii energetycznej, to można uzyskać dopasowanie nadajnika i odbiornika przy około 50 Ω. Obie strony transformatora są dopasowane, niezależnie od zmiany impedancji w linii energetycznej. Wtórna strona transformatora jest dopasowana przez nadajnik lub odbiornik. Zmiana impedancji po pierwotnej stronie transformatora nie ma odbicia po stronie wtórnej. Zatem, zawsze dla nadajnika i odbiornika osiąga się dopasowanie na 45 Ω - 50 Ω niezależnie od zmian impedancji w liniach energetycznych. Dla większych częstotliwości (na przykład 200 MHz - 500 GHz), struktura transformatora powietrznego lub z rdzeniem dielektrycznym różni się od struktury ze zgłoszenia '258. Sprzęgacz nie może już składać się z dwóch koncentrycznych solenoidów, czyli cewek powietrznych, o różnej średnicy, nawiniętych z rdzeniem magnetycznym, lecz jest znacznie mniejszy i przypomina strukturę, która jest wypełniona dowolnego typu tworzywem sztucznym, lub materiałem nieprzewodzącym, jak żywica, klej, ceramika lub dowolny inny twardy materiał nieprzewodzący (materiał czipu, ang. „chip material). Korzystne jest, jeżeli sprzęgacz zawiera bardzo cienkie płytki przewodzące rozdzielone materiałem struktury. Korzystne jest, jeżeli płytki są wykonane z miedzi, lecz mogą być wykonane również ze srebra, złota lub dowolnego innego materiału przewodzącego, niezależnie od tego, czy jest aktywny, czy pasywny. Płytki mogą być dowolnego kształtu (na przykład kwadratowe, prostokątne, okrągłe itp.), lecz korzystne jest, jeżeli są kołowe. Rozmiar takich transformatorów warstwowych powietrznych będzie zależeć od wykorzystywanej częstotliwości. Na przykład średnica uzwojenia pierwotnego sprzęgacza 30 GHz będzie mniejsza, niż 1 milimetr, a grubość warstwy będzie mniejsza, niż około 0,1 milimetra, co w efekcie da indukcyjność około 0,3 nH. Podobnie, rozmiary prostokątnych płytek miedzianych będą miały kilka milimetrów długości, 0,1 milimetra grubości, a cewki, pierwotna i wtórna będą względem siebie rozsunięte na około 0,5 milimetra, jedna nad drugą. W wyniku tego, takie elementy będą wyglądały jak bardzo niewielki kondensator. Jednak według niniejszego wynalazku wykorzystuje się cewki o indukcyjności całkowitej dobranej do rezonansu z kondensatorem dopasowującym impedancję charakterystyczną linii energetycznej.

W rozwiązaniu alternatywnym, płytki mogą być kształtowane bezpośrednio w pewnej strukturze przez osadzanie warstw metalicznych lub przez użycie domieszkowanego krzemu. Domieszkowany krzem jest przewodzący, kiedy jest aktywny, na przykład, kiedy następuje włączenie tranzystora za pomocą pewnego poziomu napięcia stałego, który powoduje, że staje się on elementem aktywnym. Zatem przy ich wykonaniu z domieszkowanego krzemu mogą przybierać postać pewnego typu elementu aktywnego, na przykład tranzystora lub diody. Oczywiście, bez wychodzenia poza zakres wynalazku, mogą być wykorzystywane inne konstrukcje transformatorów powietrznych lub z rdzeniami dielektrycznymi. Na przykład w charakterze transformatora z rdzeniem powietrznym można wykorzystać odcinek kabla koncentrycznego. Ekran kabla koncentrycznego jest uzwojeniem pierwotnym transformatora, a przewód wewnętrzny tworzy uzwojenie wtórne transformatora. Ten transformator powietrzny typu koncentrycznego można wykorzystywać do łączności na bardzo dużych częstotliwościach, powyżej 500 MHz. Podobnie, można umieścić jedną w drugiej dwie miedziane lub żelazne rurki (lub z folii aluminiowej lub miedzianej). Zewnętrzna rurka lub folia stanowi uzwojenie pierwotne

PL 210 711 B1 transformatora powietrznego, a rurka lub folia wewnętrzna tworzy uzwojenie wtórne. Tę konstrukcję można wykorzystywać również powyżej 100 MHz.

Ponadto, ostatnio przeprowadzono prace związane z budową przetwornic półprzewodnikowych, do konwersji średniego napięcia przemiennego na napięcie rzędu od 7,6 kV do 120 V prądu przemiennego z wykorzystaniem technik podobnej do techniki stosowanej w stabilizatorach i do konwersji DC/DC.

Technika wykorzystywana w przetwornicach półprzewodnikowych nazywana jest sterowaniem bramką wykonawczą układów wykonawczych z bramką tranzystorową i jest znana, a więc nie wymaga szczegółowego objaśnienia w niniejszym dokumencie. Przetwornice te są nazywane solid state transformers - mianowicie ich działanie opiera się głównie na elementach półprzewodnikowych zamiast na ciężkich cewkach miedzianych i rdzeniach żelaznych konwencjonalnych transformatorów. Takie przetwornice można stosować również w sprzęgaczach według niniejszego wynalazku. Dla specjalisty jest oczywiste, że do zbudowania układów przetwornic do wykorzystania w sprzęgaczach według niniejszego wynalazku można stosować również inne, prostsze układy scalone. Dzisiejsze układy scalone mają takie parametry indukcyjności i pojemności, jakie są potrzebne, aby działały dokładnie tak, jak zwykłe transformatory powietrzne.

Jakkolwiek struktura sprzęgacza opisanego powyżej różni się od opisanej we wspomnianym zgłoszeniu USA nr 09/344 258, to działanie sprzęgacza jest takie samo. Przy tym sprzężenie strony pierwotnej i wtórnej transformatora zmienia się wraz z częstotliwością. Strona pierwotna i wtórna są sprzężone prawie w równym stopniu mechanicznie i elektrycznie (to znaczy sprzężone pojemnościowo i indukcyjnie) poniżej częstotliwości 100 MHz i w większym stopniu sprzężone indukcyjnie (magnetycznie) na częstotliwościach powyżej 100 MHz. Przy częstotliwościach rzędu 100 GHz, strona pierwotna i wtórna transformatora sprzężone są głównie indukcyjnie.

Sprzęgacze wielkiej częstotliwości według wynalazku wykraczają swoją funkcjonalnością znacznie dalej niż funkcjonalność sprzęgaczy ze stanu techniki, umożliwiając zwiększenia szybkości transmisji danych. Na przykład, według wynalazku można wykorzystywać częstotliwości nośne rzędu 200 MHz - 50 GHz do transmisji przez linie energetyczne. Przy stosowaniu techniki sprzęgaczy z rdzeniem dielektrycznym według niniejszego wynalazku można osiągnąć szybkość transmisji w linii energetycznej do przynajmniej 1 Gb/s.

Na załączonych figurach rysunku, jednakowe oznaczenia odsyłające oznaczają na każdym z kilku widoków jednakowe lub odpowiadające sobie części. Na fig. 2 przestawiono schemat blokowy rozległej sieci komunikacyjnej WAN - (wide area network) na linii energetycznej według wynalazku.

Urządzenie trasujące 12 Ethernet jest dołączone do głównej nitki sieci komputerowej, na przykład sieci Internet lub sieci Intranet wykorzystującej koncentrator (HUB) lub przełącznik (nie pokazany), na przykład trójwarstwowego sieciowego protokołu peryferyjnego Nu Wave (Network Peripheral's Nu Wave). Urządzenie trasujące 12 jest dołączone również do modemu 14 linii energetycznej, który z kolei jest dołączony do sprzęgacza 16 linii energetycznej średniego napięcia, który w podstacji 20 doprowadza sygnały z modemu 14 do linii energetycznej 18 11 kV.

Dla specjalisty jest oczywiste, że urządzenie trasujące Ethernet 12 może być dołączone do innych urządzeń, w innych zastosowaniach, bez wychodzenia poza istotę lub zakres wynalazku. Na przykład inne zastosowania obejmują (1) sieci rozległe Ethernet z innymi serwerami, w których główna nitka sieci komputerowej jest dołączona do innej sieci; (2) zastosowania w usługach telefonicznych, gdzie główna nitka sieci komputerowej jest dołączona do centrali telefonicznej i multipleksera z podziałem czasowym, który zestawia wiele linii telefonicznych przez linię energetyczną; i (3) zastosowania telewizyjne, w których główna nitka sieci komputerowej jest dołączona do telewizyjnej stacji nadawczej, i może transmitować kilka stacji telewizyjnych w linii energetycznej.

Urządzenie trasujące 12 Ethernet jest standardowym urządzeniem trasującym Ethernet. Modem 14 linii energetycznej przez sprzęgacz 16 linii energetycznej średniego napięcia, moduluje i demoduluje sygnały sieci Ethernet linii energetycznej 18 11 kV. Konstrukcję modemu 14 linii energetycznej omówiono w szczegółach poniżej. Korzystne jest, jeżeli sprzęgacz 16 linii energetycznej średniego napięcia ma wysokość około 0,5 metra i średnicę 0,2 metra, jest umieszczony w ceramicznym izolatorze, i wypełniony żywicą. Korzystne jest, jeżeli jako sprzęgacz wykorzystuje się transformator z rdzeniem dielektrycznym, który, jak to objaśniono powyżej, może przybierać postać dwóch niewielkich kawałków płytek ułożonych jeden na drugim, do pracy przy wielkiej częstotliwości. Oczywiście, w sprzęgaczu 16 linii energetycznej średniego napięcia może być wykorzystywana dowolna inna konPL 210 711 B1 strukcja transformatora wielkiej częstotliwości omówiona powyżej, bez wyjścia poza istotę i zakres wynalazku.

Sygnał wielkiej częstotliwości, korzystnie sygnał Ethernet 100 Mb/s rozchodzi się w liniach energetycznych 18 i przechodzi przez jeden lub więcej transformatorów rozdzielczych 22, 24 w postaci przebiegów magnetycznych, i dalej do linii energetycznych 26 niskiego napięcia 110-220 V. Sygnał jest wychwytywany przez jeden lub więcej modemów 14 linii energetycznej za pośrednictwem sprzęgaczy 20 niskiego napięcia. Korzystne jest, jeżeli sprzęgacze 28 niskiego napięcia i modemy 14 linii energetycznej są rozmieszczone przed miernikami energii elektrycznej (nie pokazane) w liniach energetycznych 26 niskiego napięcia wchodzących do budynków 30. Modemy 14 linii energetycznej są identyczne, jak modemy 14 sprzężone liniami energetycznymi 18. Sprzęgacze 28 niskiego napięcia mogą być projektowane jak opisane w zgłoszeniu '258, i są mniejsze od sprzęgacza 16 linii energetycznej średniego napięcia. Sprzęgacze 28 niskiego napięcia wykorzystują wysokoczęstotliwościowe transformatory powietrzne lub z rdzeniami dielektrycznymi, jak opisane powyżej.

Z modemami 14 linii energetycznej są sprzężone przełączniki (koncentratory) sieci Ethernet 32. Przełączniki 32 sieci Ethernet rozprowadzają dane Ethernet liniami energetycznymi do budynków 30, z wykorzystaniem sieci lokalnej (LAN) przez linie energetyczne według wynalazku, zgodnie z opisem zamieszczonym poniżej.

Korzystne jest, jeżeli wszystkie modemy 14 linii energetycznej wykorzystują częstotliwość 1,35 GHz zarówno do nadawania, jak i odbioru. Częstotliwość nośna jest przekazywana przez transformatory rozdzielcze 22, 24 z linii energetycznych 18 średniego napięcia (7 kV do 35 kV) do linii energetycznych 26 niskiego napięcia (110 V do 240 V) prowadzących do budynków 30 z wykorzystaniem tej częstotliwości nośnej można transmitować dane Ethernet 100 Mb/s lub 10 Mb/s. Dla specjalisty jest oczywiste, że możliwe jest wykorzystywanie innych częstotliwości nośnych, na przykład 2,7 GHz lub 3,5 GHz, bez wychodzenia poza istotę lub zakres wynalazku.

W alternatywnej odmianie wykonania, do transmitowania danych Ethernet z szybkością 10 Mb/s, 100 Mb/s lub 1 Gb/s wykorzystywać częstotliwość nośną 30 GHz lub powyżej. Kiedy wykorzystuje się częstotliwość nośną o tej wartości, rozległa sieć (WAN - wide area network) komunikacyjna na linii energetycznej według niniejszego wynalazku nadaje się do transmisji na całym dystansie, od podstacji 20 do budynków 30, bez przerwy przy licznikach energii na zewnątrz budynków 30. Zatem modemy 14 linii energetycznej i sprzęgacze 28 niskiego napięcia, nie wymagają umieszczenia ich przed licznikami energii (nie pokazane) na liniach energetycznych 26 niskiego napięcia prowadzących do budynków 30.

Dla specjalisty jest oczywiste, że pomimo tego iż w przedstawionych przykładach realizacji opisano stosowanie protokołu Ethernet do nadawania i odbierania danych, to w komunikacji za pośrednictwem sieci rozległej (WAN) na liniach energetycznych według wynalazku, można zastosować dowolny inny protokół danych, bez wychodzenia poza istotę lub zakres wynalazku.

Na fig. 3 przedstawiono obecnie korzystną konfigurację modemu 14 linii energetycznej. Fizyczny interfejs 38 Ethernet łączy modem 14 linii energetycznej z kartą Ethernet lub koncentratorem lub wzmacniaczem (nie pokazanym), i może zawierać dowolne odpowiednie połączenie włącznie z połączeniem skrętką dwużyłową. Dane Ethernet (na przykład dane kodowane sposobem Manchester) doprowadzane są z interfejsu 38 do jednostki centralnej CPU 40, na przykład Motorola MPC855T, która dokonuje konwersji kodowanych danych do, i od, równoległego interfejsu 42 magistrali.

Programowany przez użytkownika matrycowy układ bramek (FPGA - Field Programmable Gate Array) 46, korzystnie Xilinx Virtex XCV100FG256, łączy z równoległym interfejsem 42 magistrali, i zapewnia sterowanie modemu 14 linii energetycznej, jak również realizację modulacji i demodulacji danych, które są, odpowiednio, nadawane i odbierane. Pamięć EPROM 48 przechowuje instrukcje programowe dla matrycy FPGA 46 i jednostki centralnej CPU 40. Matryca FPGA steruje przełącznikiem 36 nadawanie/odbiór, który jest dołączony do sprzęgacza 34 linii energetycznych 48, za pośrednictwem których dane są przenoszone z modemu 14 linii energetycznej. Interfejs między sprzęgaczem 34 a liniami energetycznymi 48, jak również strukturę sprzęgacza 34 objaśniono szczegółowo w zgłoszeniu '258. Jak to jednak zaznaczono powyżej, konieczne jest stosowanie, w sprzęgaczu 34, transformatora wielkiej częstotliwości, powietrznego lub z rdzeniem dielektrycznym.

Do pośredniczenia w przekazywaniu sygnałów do i od matrycy FGPA 46 służy zespół obwodów. W przypadku transmisji sygnał opuszcza matrycę FPGA 46 i przechodzi przez przetwornik analogowo-cyfrowy (A/D) 50. Konwersję w górę do częstotliwości nośnej realizuje mieszacz 58 z oscylatorem lokalnym 32. Wzmacniacz 56 i filtry 54 są wykorzystywane do pośredniczenia w przekazywaniu

PL 210 711 B1 wypadkowego sygnału do sprzęgacza 34. Podobnie, w przypadku odbioru, sygnał przechodzi przez filtry 54 i wzmacniacze 56, i jest przetwarzany w dół przez mieszacz 58 z oscylatorem lokalnym 58. Automatyczną regulację wzmocnienia (ang. AGC, automatic gain control) realizuje układ AGC 62, a następnie sygnał jest digitalizowany w przetworniku analogowo-cyfrowym (A/D) 60 w celu przesłania do matrycy FGPA 46. Modem linii energetycznej przedstawiony na fig. 3 jest modemem semidupleksowym, tak że częstotliwość nośna wykorzystywana do nadawania i do odbioru jest taka sama. Dla specjalisty jest zrozumiałe, że regulacja wzmocnienia AGC i konwersja w górę / w dół za pomocą mieszacza może się odbywać w matrycy FPGA bez konieczności stosowania dodatkowych obwodów.

Matryca FPGA 46 może zostać zaprogramowana do zastosowania dowolnego pożądanego typu modulacji. Pomimo tego iż korzystne jest wykorzystywanie modulacji FM, to matryca FPGA 46 mogłaby zostać zaprogramowana do zastosowania modulacji FSK, QPSK, 16QAM, CDMA, ADSL lub dowolnego innego typu modulacji, bez wychodzenia poza istotę lub zakres niniejszego wynalazku. Jest również oczywiste, że bez wychodzenia poza istotę lub zakres wynalazku można zamienić konkretny model matrycy FPGA 46 lub jednostki centralnej CPU 40. I rzeczywiście, matrycę FPGA można zastąpić innym typem procesorów (DSP).

Na fig. 4 przedstawiono pełnodupleksową implementację modemu 14 linii energetycznej. Struktura modemu 14 jest prawie identyczna, jak modemu semidupleksowego 14 przedstawionego na fig. 3, z wyjątkiem interfejsu między modemem 14 a liniami energetycznymi 48. Jak to widać na fig. 4, przełącznik 36 nadawanie/odbiór został usunięty. Zamiast tego, do odbioru wykorzystywany jest jeden sprzęgacz 34 pracujący na drugiej częstotliwości F2. Na przykład do równoczesnego nadawania i odbioru za pośrednictwem linii energetycznych 48 można wykorzystywać częstotliwości 1,2 i 1,6 GHz. Poza różnicą konstrukcyjną w modemie 14, dla uwzględnienia pracy pełnodupleksowej na dwóch różnych częstotliwościach, zmiany wymaga również oprogramowanie dla matrycy FPGA 46 przechowywane w pamięci EPROM 48.

Jak widać na fig. 5, przedstawiono schemat blokowy sieci lokalnej (LAN). Przedstawione urządzenie 10 komunikacyjne jest sprzężone z dwiema liniami energetycznymi 48. Urządzenie 10 komunikacyjne zwykle zawiera modulator 64, demodulator 66, interfejs 68 Ethernet, sprzęgacz 34 i zasilacz 70. Urządzenie 10 komunikacyjne łączy się z kartą Ethernet, koncentratorem lub przełącznikiem (nie przedstawionym) i nadaje dane Ethernet po liniach energetycznych 48 w pełnym dupleksie.

W trakcie pracy, pierwsze urządzenie 10 komunikacyjne, oznaczone jako jednostka Master zostaje dołączone do linii energetycznych 48 i nadaje na pierwszej częstotliwości F1, a odbiera na drugiej częstotliwości F2. Drugie urządzenie 10 komunikacyjne, oznaczone jako jednostka Slave, również dołączone do linii energetycznych 48, nadaje na drugiej częstotliwości F2, a odbiera na pierwszej częstotliwości F1. Na przykład, w celu zapewnienia sygnału Ethernet 10 Mb/s w liniach energetycznych, urządzenie opisane poniżej wykorzystuje 250 MHz jako F1 i 350 MHz jako F2. Dla specjalisty jest oczywiste, że bez wychodzenia poza istotę lub zakres wynalazku możliwe jest wykorzystywanie innych częstotliwości. Na przykład w celu zapewnienia sygnału Ethernet 100 Mb/s w linii energetycznych możliwe byłoby wykorzystanie częstotliwości w pasmach 2,44 GHz i 5,8 GHz, które są pasmami częstotliwości nie wymagającymi zezwolenia na użycie do komunikacji.

Na fig. 6 przedstawiono szczegóły modulatora 64 jednostki Master (na przykład nadawania na częstotliwości 250 MHz). Korzystne jest, jeżeli modulator 64 jest modulatorem FM zawierającym oscylator 76, modulator 74 i przyporządkowane kondensatory i cewki. Modulator 64 zawiera również transformator RF 72 i związane z nim przedstawione obwody sprzęgające z interfejsem portu jednostki przyłączeniowej (AUI - Attachment Unit Interface) w interfejsie Ethernet 68. Sygnał wejściowy Ethernet jest przenoszony od transformatora przez obwody oscylatora/modulatora 74, 76, a następnie przez układ filtru LC do wyjścia sygnału modulowanego. Wartości kondensatorów i cewek są dobrane na podstawie częstotliwości nośnej, która w przypadku jednostki Master wynosi 250 MHz.

Na fig. 7 przedstawiono modulator dla jednostki Slave z nadawaniem na częstotliwości na przykład 350 MHz. Korzystne jest, jeżeli modulator 64 dla jednostki Slave jest identyczny jak modulator Master 64 z wyjątkiem wartości cewek i kondensatorów w układzie filtru LC. Wartości cewek i kondensatorów w modulatorze Slave 64 są dobrane na podstawie częstotliwości nośnej 350 MHz.

Szczegóły demodulatora 66 dla jednostki Master (na przykład odbiór na 350 MHz) przedstawiono na fig. 8. Sygnał wejściowy z modulacją FM jest najpierw przesyłany przez dwa wzmacniacze RF 78 i przyporządkowane do nich układy, jak to pokazano, między wzmacniaczami 78 zawierającymi filtry Blincha do oddzielania szumu i innej częstotliwości nośnej od modulowanego sygnały wejściowego. Wartości LC w filtrach Blincha są dobrane na podstawie częstotliwości nośnych wykorzystywaPL 210 711 B1 nych w urządzeniu 10 komunikacyjnym. Przefiltrowany sygnał zmodulowany jest następnie doprowadzany do obwodu detektora FM 82 przez transformator RF 80. Korzystne jest, jeżeli obwód detektora 82 jest typu MC13155D. Sygnał wyjściowy obwodu 82 detektora jest następnie przepuszczany przez szybkie wzmacniacze 84 i filtry 86 dla wytworzenia sygnału wyjściowego danych Ethernet odtworzonych z modulowanego sygnału wejściowego.

Na fig. 9 przedstawiono demodulator 66 dla jednostki Slave (na przykład odbioru na 250 MHz). Demodulator Slave 66 jest identyczny, jak demodulator Master 66, z wyjątkiem wartości cewek i kondensatorów w filtrach Blincha stosowanych dla zmodulowanego sygnału wejściowego. Wartości cewek i kondensatorów w demodulatorze Slave 66 są inne, ponieważ inna jest częstotliwość nośna odfiltrowywana z modulowanego sygnału wejściowego.

Odmiana wykonania demodulatora 66 opisana powyżej, ograniczona jest do szybkości Ethernet wynoszącej 10 Mb/s ze względu na zastosowanie układu detektora FM MC1315D i częstotliwości nośnych wynoszących 250 MHz i 350 MHz. Szerokość pasma demodulatora 66 można zwiększyć do szybkości 100 Mb/s przez wykorzystanie detektora FM 82 mogącego pracować w paśmie częstotliwości powyżej 200 MHz i wykorzystującego również częstotliwości nośne większe od 1 GHz.

Na fig. 10 przedstawiono szczegóły interfejsu Ethernet 68 dla zarówno jednostki Master, jak i Slave. W interfejsie Ethernet 68 są zrealizowane dwa interfejsy alternatywne. Pierwszy interfejs AUI jest dołączony dla koncentratora Ethernet, lub przełącznika przez złącze 88. Dwie linie 90 biegną od złącza 88 bezpośrednio do modulatora 64, a wyjście demodulatora 66 jest sprzężone ze złączem 88, z wykorzystaniem transformatora RF 92. W rozwiązaniu alternatywnym, urządzenie 10 komunikacyjne może łączyć się z koncentratorem Ethernet lub przełącznikiem wykorzystując złącze RJ-45 skrętki dwużyłowej Ethernet. Przy stosowaniu złącza RJ-45 94, do zapewnienia interfejsu między złączem RJ-45 94 a portem AUI złącza 88 wykorzystuje się układ scalony 96, który jest urządzeniem nadawczo-odbiorczym 10 Base-T lub adapterem Ethernet skrętka dwużyłowa/AUI, korzystnie ML4658CQ, i przyporządkowane do niego układy.

Na fig. 11, pokazano sprzęgacz 34 do wykorzystania w urządzeniu 10 komunikacyjnym. W przypadku transmisji do linii energetycznych 48, sygnał wyjściowy modulatora 64 najpierw przechodzi przez wzmacniacz RF 96 i filtr dolno-przepustowy 98. Sygnał następnie jest przesyłany do sprzęgacza wielkiej częstotliwości powietrznego lub z rdzeniem dielektrycznym według wynalazku zawierającym transformator 100 powietrzny lub z rdzeniem dielektrycznym i kondensator sprzęgający (Ceq) 102, transformator 100 i kondensator sprzęgający 102 przekazują sygnał do linii energetycznych 48. Wartości LC w filtrze dolnoprzepustowym 98 dobrane są na podstawie częstotliwości nośnej. Wartości pojemności kondensatora sprzęgającego (Ceq) 102 są dobrane tak, aby zapewniały dopasowanie do impedancji 50 Ω między liniami energetycznymi 48 a wzmacniaczem RF 96.

W przypadku odbioru sygnałów z linii energetycznych 48, sprzęgacz wielkiej częstotliwości, powietrzny lub z rdzeniem dielektrycznym według wynalazku zawierający transformator 104 powietrzny lub z rdzeniem dielektrycznym i kondensator sprzęgający (Ceq) 106 najpierw doprowadza sygnał wejściowy z linii energetycznych 48. Sygnał wejściowy następnie jest przesyłany przez wzmacniacz RF 108 i filtr Blincha 110 w celu wyprowadzenia go do demodulatora 66. Jak po stronie nadawczej, wartości LC w filtrze Blincha 110 są dobrane na podstawie częstotliwości nośnej. Wartości pojemności kondensatora sprzęgającego (Ceq) 106 są dobrane tak, aby zapewnić dopasowanie do impedancji 50 Ω między liniami energetycznymi 48 i wzmacniaczem RF 108.

Na fig. 12 przedstawiono sprzęgacz 34 dla urządzenia komunikacyjnego Slave 10. Sprzęgacz 34 Slave jest identyczny, jak sprzęgacz 34 Master, z wyjątkiem wartości cewek i kondensatorów w filtrze Blincha 110 i filtrze dolnoprzepustowym 98, jak również wartości kondensatorów sprzęgających (Ceq) 102 106. Wartością tych cewek i kondensatorów w sprzęgaczu 34 Slave są różne, ponieważ częstotliwości nośne do nadawania i odbioru sygnałów z linii energetycznych 48 są odwrotne z urządzenia 10 komunikacyjnego Master.

Na koniec, na fig. 13 przedstawiono zasilacz 70 do wykorzystania z urządzeniem 10 komunikacyjnym. Moc prądu przemiennego jest pobierana z linii energetycznych 48 i przekazywana przez przepusty 112 w celu odcięcia impedancji transformatora 114 mocy od impedancji linii energetycznych 48. Ma to na celu zapewnienie większej stabilności szerokości pasma w liniach energetycznych i większego poziomu sygnału. Moc prądu stałego jest wytwarzana z wykorzystaniem transformatorów 114 mocy i prostowników 116. Na koniec, różne stałoprądowe napięcia wyjściowe potrzebne w urządzeniu 10 komunikacyjnym są wytwarzane z wykorzystaniem stabilizatorów 118 napięcia. Jak widać na fig. 13, do dostarczania mocy na stronę nadawczą i na stronę odbiorczą urzą10

PL 210 711 B1 dzenia 10 komunikacyjnego wykorzystywane są oddzielne transformatory zasilające 114, prostowniki 116 i stabilizatory napięcia 118. Dzięki temu częstotliwości nośne 250 MHz i 350 MHz są oddzielone od siebie nawzajem.

Dla specjalisty jest oczywiste, że w opisanych powyżej przykładach realizacji można dokonywać zmian, bez wychodzenia poza ogólną ideę wynalazku. Zrozumiałe jest zatem, że wynalazek nie jest ograniczony do konkretnego zastrzeganego przykładu realizacji, lecz ma obejmować modyfikacje zgodne z istotą i zakresem przedmiotowego wynalazku. W szczególności, pomimo tego iż opisano konkretne przykłady nowych sprzęgaczy według wynalazku, to dla specjalisty jest oczywiste, że sprzęgacze mogą być stosowane w przypadku dowolnej innej postaci łączności przez linie energetyczne, bez wychodzenia poza istotę lub zakres wynalazku. Ponadto, technologia wykonywania sprzęgaczy według wynalazku może być wykorzystywana do komunikacji za pośrednictwem dowolnych linii, jak na przykład linii telefonicznych, linii koncentrycznych, linii ze skrętkami dwużyłowymi, wszelkich wiązek przewodów, torów i magistral i/lub linii energetycznych prądu przemiennego/stałego. Podobnie, pomimo iż w korzystnych przykładach realizacji jako protokół transmisyjny opisano protokół Ethernet, to możliwe jest zastosowanie z urządzeniem komunikacyjnym według wynalazku dowolnego innego protokołu komunikacyjnego.

Claims (7)

1. Urządzenie komunikacyjne, do transmisji sygnałów elektrycznych przez jedną lub więcej linii elektrycznych o pewnej impedancji charakterystycznej, zawierające sprzęgacz (34), do łączenia nadajnika lub odbiornika z jedną z linii elektrycznych (48), przy czym sprzęgacz (34) jest dostosowany do przekazywania zmodulowanego sygnału na częstotliwości nośnej, mającej wybraną uprzednio częstotliwość większą lub równą 200 MHz, gdzie sprzęgacz zawiera:

transformator (100) posiadający pierwotne uzwojenie, wtórne uzwojenie i rdzeń, oraz kondensator sprzęgający (102) znamienny tym, że transformator zawiera:

pierwszą warstwę odpowiadającą uzwojeniu pierwotnemu i drugą warstwę, odpowiadającą uzwojeniu wtórnemu, przy czym pierwsza i druga warstwa ukształtowane są bezpośrednio w krzemie poprzez domieszkowanie krzemu, przy czym kondensator jest włączony pomiędzy uzwojenie pierwotne i linię elektryczną (48), gdzie uzwojenie pierwotne i kondensator są dopasowane do impedancji charakterystycznej linii (48) w uprzednio wybranym paśmie.

2. Urządzenie komunikacyjne według zastrz. 1, znamienne tym, że krzem znajduje się w warstwach, które są oddzielone przez warstwę nieprzewodzącego materiału czipu.

3. Urządzenie komunikacyjne według zastrz. 1 lub 2, znamienne tym, że transformator jest transformatorem powietrznym.

4. Urządzenie komunikacyjne według zastrz. 1 lub 2, znamienne tym, że transformator jest transformatorem z rdzeniem dielektrycznym.

5. Urządzenie komunikacyjne według zastrz. 4, znamienne tym, że rdzeń transformatora jest wypełniony materiałem żywicznym.

6. Urządzenie komunikacyjne według zastrz. 1, znamienne tym, że uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne transformatora są oddzielone przez nieprzewodzącą warstwę materiału czipu.

7. Urządzenie komunikacyjne według zastrz. 1 lub 2, znamienne tym, że uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne są cylindryczne, tak że tworzą rurki.