CC BY
27
ПОЛНОДУПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПО ЦЕПЯМ ПИТАНИЯ. АНАЛОГОВАЯ КОМПЕНСАЦИЯ, КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ И ПРОБЛЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10297
Рогожников Евгений Васильевич,
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск, Россия, udzhon@mail.ru
Дмитриев Эдгар Михайлович,
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск, Россия, edegor1993@mail.ru
Абенов Ренат Рамазанович,
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск, Россия, renat.abenov@tusur.ru
Ключевые слова: полнодуплексная связь, аналоговая компенсация, цепи питания, система передачи данных, OFDM, фазовращатель, аттенюатор, симметрирующий трансформатор, цифро-аналоговый преобразователь, циркулятор.
Представлены достоинства и недостатки методов аналоговой компенсации сигнала при использовании технологии полнодуплексной связи в системах передачи данных по цепям питания. Разработка технологии полнодуплексной связи является перспективным направлением в области телекоммуникаций, так как в условиях быстрого развития телекоммуникационных систем все более актуальными становятся методы повышения спектральной эффективности систем связи. Рассмотрены основные преимущества технологии полнодуплексной связи, а так же представлены предпосылки использования данной технологии для передачи данных по цепям пита-ния. А именно то, что в системах передачи данных по цепям питания свободным является ограни-ченный частотный диапазон, поэтому применение технологии полнодуплексной связи является актуальной задачей на данный момент. Также описана концепция построения полнодуплексной системы передачи данных по цепям питания. Рассмотрены основные проблемы реализации данной системы передачи данных, а именно осуществление компенсации сигнала между передатчиком и приемником, мощности которых могут различаться на сотни децибел. Описан метод аналоговой компенсации с использованием перестраиваемого фазовращателя и аттенюатора, метод компенсации сигнала с использованием 2-х канального цифро-аналогового преобразователя и способ с использованием симметрирующего трансформатора. Также рассмотрены проблемы реализации данных методов аналоговой компенсации в технологии полнодуплексной связи. Описан достижимый уровень компенсации в теории и практике. Произведено математическое моделирование системы полнодуплексной связи с применением описанных методов аналоговой компенсации, а также проведено экспериментальное исследование, в результате выполнения которого были определены основные факторы, влияющие на уровень аналоговой компенсации.
Информация об авторах:
Рогожников Евгений Васильевич, к.т.н., доцент кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, Томская область, г. Томск, Россия
Дмитриев Эдгар Михайлович, ассистент кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, Томская область, г. Томск, Россия
Абенов Ренат Рамазанович, Старший преподаватель кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, Томская область, Томск, Россия
Для цитирования:
Рогожников Е.В., Дмитриев Э.М., Абенов Р.Р. Полнодуплексная система передачи данных по цепям питания. Аналоговая компенсация, концепция построения и проблемы организации // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Том 13. №7. С. 21-27.
For citation:
Rogozhnikov E.V., Dmitriev E.M., Abenov R.R. (2019). Full duplex power line transmission system. Concept of construction and problems of organizing analog compensation. T-Comm, vol. 13, no.7, pр. 21-27. (in Russian)
Введение
В настоящее время в научном сообществе ведется активная работа по разработке технологий, которые лягут в основу систем связи 5-го поколения. Эти технологии направлены на повышение эффективности использования частотно-временного ресурса, освоение новых, ранее не используемых диапазонов частот, снижение доли служебной информации. Примерами таких технологий являются неортогональные методы доступа (Non Orthogonal Multiple Access), множественный доступ с разреженным кодом (Sparse Code Multiple Access), метод формирования неортогональных несущих с помощь банка гребенчатых фильтров и др. [1,2,3].
Также, одной из новых технологий позволяющих повысить эффективность использования частотно-временного ресурса является технология полнолуплексной передачи данных в беспроводных системах связи [4]. Использование частотного ресурса строго регламентируется международными и региональными организациями, поэтому передача данных ведется в строго выделенной полосе частот, вследствие этого необходимо искать способы эффективного использования имеющегося частотного ресурса. Суть технологии полнодуплексной связи заключается в том, что передача и прием сигналов производятся одновременно в одной полосе частот. То есть отсутствует временное либо частотное разделение передаваемой и принимаемой информации. Это позволяет до двух раз повысить эффективность использования частотно-временного ресурса. Данная технология может быть с успехом применена не только в беспроводных системах, но и в системах передачи данных по цепям питания.
Среди различных проводных коммуникационных технологий Power Line Communication (PLC) имеет большой научный интерес и представляет собой очень привлекательное решение для подключения различных технологий широкополосного доступа. Технология PLC базируется на использовании линий электропередач для высокоскоростной передачи информации. Главным преимуществом передачи данных по цепям питания является то, что она использует инфраструктуру, которая является гораздо более распространенной, чем любая другая проводная инфраструктура, поэтому не требует прокладки новых линий связи.
Применение технологии полного дуплекса в системах передачи данных по цепям питания целесообразно по ряду причин.
- Рабочая полоса частот ограничена диапазоном от 1 кГц до 30 МГц, использование более высоких частот не целесообразно в связи с большим затуханием сигнала в электропроводке [5]. Техническая реализация полнодуплексной системы передачи данных по цепям питания в этом диапазоне частот значительно проще, чем для беспроводных систем связи, работающих в диапазоне 1-10 ГГц.
- Большое количество помех, вызванных работой различного бытового и промышленного оборудования, частот-но-селективиые замирания, затухание сигнала в кабеле, уменьшает и без того не большой частотный ресурс, скорость передачи данных и дальность действия системы. В таких условиях, несомненно, актуальной является задача повышения эффективности частотно-временного ресурса до двух раз, что может быть достигнуто за счет полподуплекс-
ной передачи данных без временного и частотного разделения.
- Возможность достижения высокоэффективных показателей работы аналоговых и цифровых методов компенсации сигнала собственного передатчика в приемном канале, вследствие использования низкочастотного диапазона до 30 МГц.
Множество вопросов, касающихся построения полнодуплексных систем связи для беспроводных решений исследовано, однако для систем передачи данных но цепям питания данная технология является повой и требует проработки. Так как передача ведется одновременно и па одной частоте приемник локального узла помимо полезного сигнала примет сигнал, излучаемый собственной передающей частью, этот сигнал имеет название сигнал-помеха собственного передатчика и будет рассмотрен далее. Вели каким-либо образом не избавится от сигнала-помехи собственного передатчика, прием полезного сигнала представляется не возможным.
В связи с этим в полнодуплексных системах связи применяются различные методы аналоговой и цифровой компенсации сигнала-помехи собственного передатчика, В данной статье мы освятим проблемы и пути их решения, возникающие при построении полнодуплексных систем передачи данных по цепям питания, в том числе в сравнении с беспроводными аналогами.
1. Концепция построения полнодуплексной системы передачи данных по цепям питания
Полнодуплексная система передачи данных по цепям питания во многом схожа с аналогичными решениями для беспроводной связи. Проблема полнодуплексных систем передачи данных без временного и частотного разделения заключается в том, что мощный сигнал собственного передатчика па выходе усилителя поступает в приемный капал и создает помеху для приема и обработки полезного сигнала от удаленного передатчика. Мощность собственного сигнала в приемном канале может на 100 и более дБ превышать мощность полезного сигнала от удаленного передатчика. Для того чтобы по.гнодуплескная система связи заработала, необходимо обеспечить развязку более 80 дБ между передающим и приемным каналами. Для этих целей в полнодуплексной системе связи производится компенсация сигнала собственного передатчика в приемном канале как в аналоговом так и в цифровом виде.
Основной идеей методов аналоговой компенсации является то, что формирование компенсационного сигнала происходит в радиочастотном диапазоне, до Аналого-цифрового преобразователя. Компенсационный сигнал должен быть идентичен сигналу-помехе собственного передатчика, но быть в противофазе [4|.
Система аналоговой компенсации необходима для подавления прямого сигнала передатчика, поступающего в приемный канал, цифровая компенсация используется для подавления сигналов, вызванных многолучевым распространением сигналов между передающим и приемным каналом. Таким образом, полнодуплексная система передачи данных по цепям питания включает в себя четыре основные составные части: передающий канал, приемный канал, тракт
ш
аналоговой компенсации, тракт цифровой компенсации (рис. 1).
Согласующее устройство
Делитель мощности
$
Тракт аналоговой компенсации
- I
ЦАП
XI
И
АЦП
Тракт цифровой компенсации
Ряс. 1, Общая концепция построения полиодугщексной системы передачи данных по цепям питания
Предлагается система передачи данных но цепям питания обеспечивает передачу И прием информации между двумя узлами одновременно в одной полосе частот в пределах диапазона 1-30 МГц.
Далее в статье для обозначения полезного сигнала от удаленного передатчика используется термин «полезный сигнал», а для обозначения сигнала собственного передатчика поступающего в приемный канап используется термин «сигнал помеха».
фазе. Данное решение подходит только для узкополосных сигналов, поскольку при удалении от несущей частоты уровень компенсации будет снижаться [4]. Кроме этого, в отличие от систем беспроводной связи, где сигнал помеха ослабляется на 20-30 дБ, проходя путь между передающей и приемной антенной, в системах передачи данных но цепям питания сигнал-помеха, поступая в сумматор, практически не ослабляется, ослабление вносит только фильтр нижних частот. Это приводит к тому, что полезный сигнал проходит как через согласующее устройство, так и через тракт компенсации, таким образом, на выходе сумматора могут появиться искажения полезного сигнала.
2) Еще одним известным способом аналоговой компенсации является способ с использованием симметрирующего трансформатора (рис. 3).
220 В
1\ л ~
Циркулятор
Симметри рующий трансформатор
т
Передающий канал
Приемный канал
2. Аналоговая компенсация, обзор методов, проблемы реализации
Существуют различные подходы для реализации цени аналоговой компенсации.
]) Аналоговая компенсация с использованием, перестраиваемого фазовращателя и аттенюатора {рис. 2).
220 В
Согласующее устройство
Делитель мощности
Фазовращатель
Аттенюатор
1 I
Передающий канал
Приемный канал
Рис. 2. Аналоговая компенсация с использованием перестраиваемого фазовращателя и аттенюатора
В перестраиваемом фазовращателе происходит подстройка фазы сигнала, а в перестраиваемом аттенюаторе производится ослабление сигнала компенсации, чтобы сигнал компенсации и сигнал-помеха поступающие а сумматор имели одинаковое ослабление по при этом были в противо-
Рнс. 3. Аналоговая компенсация с использованием симметрирующего трансформатора
Для того чтобы избежать описанного ограничения по полосе частот, необходимо обеспечить противофазноеть полезного сигнала и сигнала-помехи но всей полосе частот. Дзя этих целей может быть использован симметрирующий трасформатор, имеющий один вход и два выхода. Сигналы на выходах симметрирующего трансформатора инверсны. Нельзя утверждать, что симметрирующий трансформатор обеспечивает идеальную противофазноеть выходных сигналов, но для сигналов с полосой более 10 МГ ц, уровень компенсации с использованием трасформатора значительно превосходит уровень компенсации достижимый е помощью перестраиваемого фазовращателя {рис. 3) [4). Линия задержки и аттенюатор необходимы для согласования сигнала-помехи и полезного сигнала по задержке и амплитуде.
Еще одной проблемой, которую необходимо решить для иол ноду и леке ной системы передачи данных по пеням низания, является прохождение полезного сигнала через тракт компенсации. Для этих целей с успехом может быть применен циркулятор. Благодаря ему, полезный сигнал от удаленного передатчика не поступает в канал компенсации, и следовательно не создает искажений на выходе сумматора.
Недостатком данного метода является неидеальность частотной характеристики симметрирующего трансформатора, и, следовательно, противофазноеть сигналов на его выходе обеспечивается не во всей полосе частот.
3) Хорошим решением для полнодуплексной системы передачи данных может стать метод аналоговой ком пенса-
7ТТ
ции с использованием 2-х канального цифро-аналогового преобразователя (рис. 4).
220 8 О
Согласующее устройство
Линия Аттенюа- I
задержки тор
I I П предающий канал
т
Приемный канал
ЦАП
"Г"
Рис. 4 Аналоговая компенсация с использованием двухканального цифро-аналогового преобразователя
Два сигнала противоположной полярности формируются в цифровом виде и затем поступают на вход 2-х канального цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Сигналы па выходе цифро-аналогового преобразователя совершенно Синхронны, но при этом в противофазе во всей полосе занимаемых частот. Сигнал с одного из выходов усиливается и поступает на вход согласующего устройства и далее в линию передачи. Сигнал второго выхода усиливается и поступает на вход тракта компенсации, где происходит подстройка ослабления и задержки сигнала, и далее в сумматоре сигнал-помеха и сигнал компенсации суммируются. Для реализации этого метода не требуется использование циркулято-ра, поскольку полезный сигнал не может поступить на вход компенсирующего тракта. Теоретически данный метод позволяет полностью избавиться от недостатков описанных выше методов аналоговой компенсации. I ¡а точность данного метода будет влиять ошибка настройки перестраиваемого аттенюатора и перестраиваемой линии задержки.
3, Достижимый уровень компенсации в теории и практике
Теоретически данные подходы должны обеспечивать высокий уровень компенсации сигнала-помехи до 80 дБ и более, однако на практике данное значение составляет около 40 дБ. Это связано с тем, что на уровень компенсации будут оказывать влияние такие факторы как неточность настройки элементов компенсирующего тракта, изменение характеристик устройств при изменении температуры, фазовые шумы синтезаторов и др. Ошибка настройки перестраиваемой линии задержки будет вносить значительно меньший урон системе полнодуплексной передачи данных по цепям питания, по сравнению с системой полнодуплексной беспроводной связи. Связано это в первую очередь с диапазоном используемых частот. Системы беспроводной связи работающие в диапазоне 2-10 ГГц, значительно более чувствительны к ошибке настройки перестраиваемой линии задержки, по сравнению с системой передачи данных по цепям питания, работающей в диапазоне 1-30 МГц (рис. 1). Уровень компенсации также зависит от ошибки настройки перестраиваемого аггенюатора (рис. 2, 3).
Произведено математическое моделирование влияния ошибки настройки элементов компенсирующего факта на уровень компенсации. Для моделирования использовался сигнал полосой 30 МГц на несущей 15 МГц для PLC системы связи и 1 ГГц для системы беспроводной связи.
На рисунке 5 приведена зависимость уровня компенсации от ошибки настройки перестраиваемой линии задержки.
60
50
us
40 ¡30
и
1 20
л =
=
>Г
10
-10
-Несущая 15 МГц -Несущая 1 ГТц
12 3 4 5
Ошибка настройки линии задержки, не
Рис. 5. Зависимость уровня компенсации от ошибки настройки перестраиваемой линии задержки
Как видно из рис. 5, для несущей I ГГц, ошибка настройки линии задержки в 1 не приводит к значительному снижению уровня компенсации на 30 и более дБ. В случае низкочастотного сигнала эта ошибка не так критична, и ошибка в 1 не приведет к потере уровня компенсации на 10-15 дБ.
На рисунке 6 приведена зависимость уровня компенсации от ошибки настройки перестраиваемого аттенюатора.
0 5 10 15 20 25 30 Ошибка настройки перестраиваемого аттенюатора, дБ
Рис. 6, Зависимость уровня компенсации от ошибки настройки перестраиваемого аггенюатора
Как видно из рис. 6, ошибка настройки перестраиваемого аттенюатора на 3 дБ приводит к существенному снижению уровня компенсации на 30 дБ.
Это накладывает жесткие требования к точности настройки перестраиваемого аттенюатора. Полученная зависимость не зависит от частоты несущей и совпадает для высокочастотных и низкочастотных сигналов.
Далее было выполнено экспериментальное исследование влияния ошибки настройки перестраиваемого фазовращателя на уровень компенсации сигнала собственного передатчика в приемном тракте. Экспериментальная установка была собрана по схеме, представленной на рис. 2, и приведена на рис. 7.
Помимо перечисленных факторов, на уровень компенсации несомненно будет влиять неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) симметрирующего трансформатора и шумы квантования ЦАП. Для оценки характеристик устройств, используемых для построения полнодуплексной системы передачи данный по цепям питания произведено экспериментальное измерение зависимости уровня компенсации для частотного диапазона от 1 до 30 МГц. Мощность сигнала на входе сумматора 0 дБм.
ЦАП к.1
1
К?
Анализатор спектра
К. 1
ЦАП Балун К? >
Анализатор спектра
Рис. 9. Схема соединения оборудования. Для измерений был сформирован OFDM сигнал в полосе 30 МГц
Рис. 7. Экспериментальная установка
Генератор сигналов формирует гармонический сигнал. Сигнал поступает на вход делителя мощности, с первого выхода которого, сигнал поступает на вход перестраиваемого фазовращателя, а со второго выхода на вход перестраиваемого аттенюатора. Настройка перестраиваемого аттенюатора, производится таким образом, чтобы сигналы на выходе фазовращателя и аттенюатора были одинаковой мощности. Сигналы с выхода перестраиваемого фазовращателя и аттенюатора складываются в сумматоре. Оставшийся после компенсации сигнал поступает на вход анализатора спектра. Зависимость уровня компенсации от ошибки настройки перестраиваемого аттенюатора приведена на рис. 8.
Поворот фазы сигнала происходит не равномерно на разных частотах, что ухудшает компенсацию при использовании широкополосных сигналов.
0 20 40 60 80 100 Ошибка настройки перестраиваемого аттенюатора, гр
Рис. 8. Зависимость уровня компенсации от ошибки настройки перестраиваемого аттенюатора
Измерение производилось по схеме приведенной на рис. 9а,б.
Результаты измерений приведены на рис. 10. Для 2-канального ЦАПа компенсация сигнала-помехи производится равномерно во всей полосе частот и достигает 35 дБ. Для симметрирующего трансформатора уровень компенсации составляет 30 дБ, и это значение изменяется в зависимости от частоты и зависит от амплитудо-частотной характеристики трансформатора.
Кроме этого, произведено исследование зависимости уровня компенсации от мощности сигналов на входе сумматора. Зависимость приведена на рис. 11.
50
«40
3 30
31 о с 2
20
|чо
-Балун -2-х кан. ЦАП
10 15 20 Частота, МГц
25
30
Рис. 10. Зависимость уровня компенсации от частоты
Уровень собственных шумов приемной аппаратуры составляет -90 дБм. Как видно из зависимости на рис. 11, при больших уровнях входного сигнала (-30 - -50) дБм уровень компенсации составляет -33 дБ, затем при снижении отношения сигнал/шум ниже 35 дБ аналогично падает и уровень компенсации.
-
FULL DUPLEX POWER LINE TRANSMISSION SYSTEM. CONCEPT OF CONSTRUCTION AND PROBLEMS OF ORGANIZING ANALOG COMPENSATION
Eugeniy V. Rogozhnikov, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, Tomsk, Russia, udzhon@mail.ru Edgar M. Dmitriev, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, Tomsk, Russia, edegor1993@mail.ru Renat R. Abenov, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, Tomsk, Russia, renat.abenov@tusur.ru
Abstract
This article presents the advantages and disadvantages of analog signal compensation methods when using full-duplex communication technology in power line transmission systems. The development of full-duplex communication technology is a promising direction in the field of telecommunications, as in the conditions of the rapid development of telecommunication systems, methods of increasing the spectral efficien-cy of communication systems are becoming increasingly important. This article discusses the main benefits of full-duplex communication technology. Presented prerequisites for the use of this technology for data transmission over power lines. Namely, in the data transmission systems through the power supply circuits, the limited frequency range is free, therefore the application of full-duplex communication technology is an actual task at the moment. The concept of building a full duplex data transmission system is described. The main problems of the implementation of this data transmission system are considered, namely the implementation of signal compensation between the transmitter and the receiver, the powers of which can vary by hundreds of decibels. An analog compensation method using a tunable phase shifter and attenuator, a signal compensation method using a 2-channel digital-to-analog converter, and a method using a balancing trans-former are described. The problems of implementation of analog compensation methods in full-duplex communication technology are considered. The achievable level of compensation is described in theory and practice. Produced by mathematical modeling of a full-duplex communication system with an analog com-pensation methods described. An experimental study was conducted, as a result of which the main factors affecting the level of analog compensation were identified.
Keywords: full-duplex communication, analog compensation, power lines, data transmission system, OFDM, phase shifter, attenuator, balancing transformer, digital-analog converter, circulator.
References
1. Nikopour, H., Yi, E., Bayesteh, A., Au, K., Hawryluck, M., Baligh, H., & Ma, J. (2014, December), "SCMA for downlink multiple access of 5G wireless networks", In 2014 IEEE Global Communica-tions Conference, pp. 3940-3945.
2. Saito, Y., Kishiyama, Y., Benjebbour, A., Nakamura, T., Li, A., & Higuchi, K. (2013, June), "Non-orthogonal multiple access (NOMA) for cellular future radio access", In 2013 IEEE 77th vehicular technology conference (VTC Spring), pp. 1-5
3. Bellanger, M., LeRuyet, D., Roviras, D., Terr?, M., Nossek, J., Baltar, L., Viholainen, A. (2013), "FBMC physical layer: a primer", PHY-DYAS, vol. 25(4), pp. 7-10.
4. Jain, M., Choi, J. I., Kim, T., Bharadia, D., Seth, S., Srinivasan, K., Sinha, P. (2011, September), "Practical, real-time, full duplex wireless", In Proceedings of the 17th annual international conference on Mobile computing and networking, pp. 301-312.
5. Duche, D. N., & Gogate, V. (2014), "Power Line Communication Performance Chan-nel Characteristics", Computer Engineering and Applications Journal, vol. 3(1), pp. 34-42.
Information about authors:
Eugeniy V. Rogozhnikov, Associate professor of the Department of Telecommunications and Basics of Radioengineering at the Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, Tomsk, Russia
Edgar M. Dmitriev, Assistant of the Department of Telecommunications and Basics of Radioengineering at the Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, Tomsk, Russia
Renat R. Abenov, Senior Lecturer of the Department of Telecommunications and Basics of Radioengineering at the Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, Tomsk, Russia
7ТЛ
