FSK-модемы для PLC-связи: стандарты, производители, компоненты
В статье дан обзор существующих спецификаций узкополосной PLC-технологии, а также рассмотрены их особенности. Кроме того, приведена информация о компонентах, предназначенных для создания PLC-модемов с использованием частотной модуляции. Этот вид модуляции обеспечивает скорость передачи данных 0,3…10 Кбит/с. В последние годы благодаря применению более эффективных видов модуляции сигнала, подтвердивших свою надежность в других проводных и беспроводных технологиях, удалось повысить скорость передачи до 128…576 Кбит/с.
ВВЕДЕНИЕ
Первые попытки использования силовых линий электроснабжения для передачи сигналов были предприняты еще в начале XX в. вскоре после того, как электросети получили широкое распространение. В 1930 гг. передача данных по линиям электропередач основывалась на технологии под названием RCS (Ripple Carrier Signaling). В ней использовалась модуляция сигнала вида ASK (Amplitude Shift Keying — амплитудная манипуляция), а передача сигналов осуществлялась в полосе частот 125…3000 Гц. Скорость передачи данных была сравнительно небольшой (всего несколько бит в секунду), однако этого было вполне достаточно для дистанционного управления устройствами сети и ее реконфигурации. В последние годы все большее распространение, в т.ч. для высокоскоростного обмена информацией в офисных и промышленных зданиях и сооружениях, находит широкополосная технология передачи данных по электрическим сетям, обеспечивающая скорость передачи до 200 Мбит/с. В системах автоматического считывания показаний разного рода датчиков и в других приложениях находит применение узкополосная PLC-технология, которая обеспечивает скорость передачи до 128 Кбит/с и более в полосе частот 42…89 кГц (CENELEC A) и до 576 Кбит/с в полосе 9…500 кГц (FCC) [1–6].
На диаграмме, приведенной на рисунке 1, показаны виды модуляции сигнала, используемые в узкополосной PLC-технологии. Каждая из них имеет свои недостатки и преимущества, однако модуляция с расширением спектра S-FSK и DCSK (Differential Code Shift Keying — дифференциальная кодовая манипуляция) обеспечивает более надежную передачу данных в условиях нестабильности параметров канала связи. Поэтому системы, созданные на их базе, широко применяются в сетях типа AMR (Automatic Meter Reading — автоматическое считывание показаний счетчиков). Использование в узкополосной PLC-технологии модуляции вида FSK, S-FSK и DCSK обеспечивает приемлемую достоверность информации, однако недостаток этих видов модуляции — пока еще сравнительно невысокая скорость передачи данных. В последние годы пристальный интерес и повышенное внимание обращено к технологии на основе OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением), использование которой позволяет существенно увеличить пропускную способность канала связи, поскольку расширение функциональности автоматизированных систем типа AMR/AMI/AMM требует, соответственно, увеличения скорости передачи данных.
Стандарты и спецификации
В PLC-технологии для передачи информационного сигнала используется та же электропроводка, по которой осуществляется энергоснабжение. Как правило, частота информационного сигнала значительно выше частоты промышленных электросетей переменного тока (50/60 Гц), а напряжение сигнала во много раз ниже, чем 110/200/220/380 В. Упрощенно принцип передачи PLC-сигнала по силовым линиям электросетей частотой 50 Гц иллюстрирует рисунок 2. Выделение информационного сигнала обычно осуществляется с помощью ВЧ-фильтров, а созданные на их базе устройства, в общем случае, служат в качестве согласующего аппаратного интерфейса (coupling interface).
Поскольку провода электросети одновременно являются физической средой передачи информационного сигнала, при выборе рабочей полосы частот необходимо принимать во внимание следующие факторы.
Во-первых, необходимо учитывать затухание сигнала при его распространении по электропроводке. Затухание имеет сильно выраженную зависимость от частоты сигнала и длины линии, что приводит, в конечном счете, к существенному ухудшению отношения сигнал/помеха.
Во-вторых, при выборе частотного диапазона для обеспечения электромагнитной совместимости оборудования следует также учитывать требования существующих нормативных ограничительных документов. В США действует стандарт FCC, в Европе — CENELEC. В этих стандартах для передачи данных по электросетям определены уровни напряжений PLC-сигнала и разрешенные диапазоны частот (см. рис. 3) в полосе 3…148,5 кГц (CENELEC) или 3…500 кГц (FCC). Нормы на допустимые уровни высокочастотных электромагнитных излучений приведены в соответствующих стандартах — FCC Part15 subpart B/C, EN/IEC 61131-2, EN 55011 и др.
Рис. 3. Распределение частот в стандарте CENELEC
В стандарте IEC 61334, который был утвержден в конце 1990-х гг., даны общие требования к системам автоматики с распределенными каналами связи, в которых в качестве физической среды для передачи данных используются электросети среднего и низкого напряжения. В настоящее время имеют силу следующие технические спецификации и стандарты МЭК (IEC — International Electrotechnical Commission) для узкополосной PLC-технологии [1]:
– IEC 61334-5-1: The spread frequency shift keying (S-FSK) profile (частотная манипуляция с расширением спектра);
– IEC 61334-5-2: Frequency shift keying (FSK) profile (частотная манипуляция);
– IEC 61334-5-4: Multi-carrier modulation (MCM) profile (модуляция с несколькими несущими);
– IEC 61334-5-5: Spread spectrum-fast frequency hopping (SS-FFH) profile (профиль быстрого скачкообразного изменения частоты).
При частотной манипуляции (FSK) значениям 0 и 1 информационной последовательности соответствуют определенные частоты синусоидального сигнала c постоянной амплитудой. По сравнению с амплитудной манипуляцией ASK, модуляция типа FSK обеспечивает лучшую помехоустойчивость, поскольку помехи, как правило, вносят искажения амплитуды, а не частоты сигнала. Спецификации физического уровня (PHY), а также канального подуровня MAC (Media Access Control) для PLC-систем, в которых для передачи данных используется модуляция вида S-FSK, приведены в стандарте IEC 61334-5-1. Основное отличие между FSK и S-FSK заключается в том, что при модуляции типа S-FSK разнос частот F(0) и F(1), кодирующих 0 и 1 информационной последовательности, существенно больше, чем при модуляции FSK. В системах с использованием модуляции с расширением спектра вида S-FSK разнос частот составляет 10 кГц и не зависит от скорости передачи [1, 2, 6]. В системах S-FSK, по сути, на физическом уровне используется та же бинарная частотная манипуляция, что и в FSK-системах. При этом больший разнос частот позволяет увеличить помехоустойчивость при наличии узкополосных помех и вместе с тем сохранить простоту реализации метода. В стандарте IEC 61334-5-1 не регламентируются значения частот F(0) и F(1), т.к. они должны выбираться в соответствии с рекомендациями CENELEC. Предусматриваются две скорости передачи данных: 600 или 1200 бит/с, допускается также скорость передачи 2400 бит/с.
В технических спецификациях IEC 61334-5-4 описаны требования к системам, в которых для передачи данных применяется модуляция с несколькими несущими (Multi-Carrier Modulation — MCM). На физическом уровне предусматривается использование одного из видов MCM-модуляции, а именно, модуляции OFDM. Частоты поднесущих и их количество выбираются в соответствии с рекомендациями спецификаций IEC 61334-5-4, причем разнос частот поднесущих составляет 4,5 кГц. Для модуляции поднесущих рекомендуется применять относительную фазовую манипуляцию (Differential Phase-Shift Keying — DPSK). Чтобы увеличить надежность передачи при ухудшении параметров канала связи, в спецификациях IEC 61334-5-4 предусматривается возможность использования сверточного кодирования, что приводит, соответственно, к снижению в два раза скорости передачи данных. Для сохранения целостности данных рекомендуется применять CRC-коды, а использование специальной преамбулы гарантирует надежную синхронизацию даже в случае резкого ухудшения условий приема/передачи. Количество поднесущих (J) выбирается из соотношения 1 ≤ J ≤ N/2 – 1, где N = 64. Максимальная частота поднесущей — 139,5 кГц. Следует отметить, что в отличие от стандарта IEC 61334-5-1, MCM-спецификации не являются полноценным международным стандартом, а относятся к классу технических спецификаций. В этих спецификациях отсутствует множество требований, и поэтому они нуждаются в существенной доработке и уточнениях.
Производители
Ниже приведена информация о компонентах, разработанных для передачи данных в узкополосных PLC-сетях с использованием манипуляции типов FSK, S-FSK и BPSK. Ведущая роль в разработке и производстве однокристальных PLC-модемов принадлежит компаниям STMicroelectronics, ON Semiconductor и Advanced Digital Design S.A.
Компания STMicroelectronics (www.st.com) начала производство первых микросхем PLC-приемопередатчиков еще в 1990 гг. Для кодирования данных в них использовался метод частотной манипуляции (FSK), и они имели скорость передачи данных 1,2/2,4 Кбит/с. В последние годы компания предлагает микросхему PLC-модема ST7538Q и усовершенствованную модель ST7540 со скоростью передачи до 4,8 Кбит/с. ST7538Q и ST7540 — полудуплексные синхронно-асинхронные FSK-приемопередатчики, разработанные для передачи данных через силовые линии электропередачи. Микросхемы предназначены для использования в системах управления средствами автоматизации зданий, в т.ч. в системах безопасности и контроля температуры и освещенности, системах дистанционного управления уличным освещением, автоматизированных системах контроля и учета электроэнергии [4, 5]. В модемах ST7538Q/ST7540 предусмотрено использование следующих несущих частот: 60/66/72/76/82,05/86/ 110/132,5 кГц. Выбор частот осуществляется на программном уровне.
где ΔF — частотная девиация равная 1×скорость передачи или 0,5×скорость передачи. Таким образом, при скорости передачи 2400 бит/с частотная девиация может составлять 2400 или 1200 Гц.
Микросхема ST7538Q функционально совместима с выпущенной ранее ST7537 и изготавливается в корпусе TQFP-44, а ИС ST7540 — в корпусе HTSSOP-28.
В конце 2009 г. компания STMicroelectronics расширила семейство микросхем (ST7538Q/ST7540), ориентированных на использование в узкополосных PLC-сетях, выпустив новую микросхему PLC-модема ST7570 по технологии 0,18 мкм. Микросхема ST7570 представляет собой полудуплексный модем, в котором для передачи данных используется модуляция с расширением спектра S-FSK. Для формирования несущих применяется метод прямого цифрового синтеза (Direct Digital Synthesizer — DDS). PLC-модем ST7570 предназначен для передачи данных по электрическим сетям низкого напряжения и соответствует требованиям стандартов EN50065 (CENELEC) и FCC part 15. Модем ST7570 содержит процессорное ядро 8051, а, кроме того, DSP-ядро. Связь с хост-контроллером поддерживается через интерфейс UART или SPI. Основные параметры микросхем ST7540/ST7570 даны в таблице 1, структурная схема PLC-модема ST7570 приведена на рисунке 4.
Таблица 1. Основные параметры микросхем ST7540/ST7570
Fsk что это такое
кодирование со сдвигом (изменением) частот (при передаче данных) — [Е.С.Алексеев, А.А.Мячев. Англо-русский толковый словарь по системотехнике ЭВМ. Москва 1993]
Тематики
Тематики
06.04.13 поверхностная акустическая волна [ surface acoustic wave; SAW]: Электроакустический эффект, используемый в системах автоматической идентификации, когда микроволновые радиосигналы малой мощности с помощью пьезоэлектрического кристалла в радиочастотной метке преобразуются в ультразвуковые поверхностные акустические волны.
Международный электротехнический словарь. Часть 713. Радиосвязь: приемники, передатчики, сети и их режим работы
Международный электротехнический словарь. Глава 702: Колебания, сигналы и соответствующие устройства
Международный электротехнический словарь. Глава 221: Магнитные материалы и компоненты
Международный электротехнический словарь. Глава 714: Коммутация и сигнализация в электросвязи
Международный электротехнический словарь. Глава 161: Электромагнитная совместимость (International Electrotechnical Vocabulary. Chapter 161: Electromagnetic compatibility)
Информационные технологии. Абстрактная синтаксическая нотация версии один
(АСН.1). Часть 1. Спецификация основной нотации
Информационные технологии. Взаимосвязь открытых систем. Процедуры действий уполномоченных по регистрации ВОС. Часть 1. Общие процедуры и верхние дуги дерева идентификатора объекта АСН.1
Информационные технологии. Радиочастотная идентификация (RFID) для управления предметами. Протокол данных: правила кодирования данных и функции логической памяти
Информационные технологии. Технологии автоматической идентификации и сбора данных (АИСД). Гармонизированный словарь. Часть 2. Оптические носители данных (ОНД)
Информационные технологии. Технологии автоматической идентификации и сбора данных (АИСД). Гармонизированный словарь. Часть 3. Радиочастотная идентификация (РЧИ)
Информационные технологии. Технологии автоматической идентификации и сбора данных (АИСД). Гармонизированный словарь. Часть 5. Системы определения места нахождения
Полезное
Смотреть что такое «FSK» в других словарях:
FSK — Saltar a navegación, búsqueda Ejemplo de FSK binario El FSK (Frequency shift keying) es un tipo de modulación de frecuencia cuya señal modulante es un flujo de pulsos binarios que varía entre valores predeterminados. En los sistemas de modulación … Wikipedia Español
FSK — can have alternative meanings:* FSK (Russia) (Federalnaya Sluzhba Kontrrazvedki (Федеральная Служба Контрразведки), Federal Counterintelligence Service of Russia) * Frequency shift keying, a modulation scheme * Forsvarets Spesialkommando, a… … Wikipedia
FSK — [ɛfɛs ka:], die; : Freiwillige Selbstkontrolle der Filmwirtschaft. * * * I FSK, Abkürzung für Freiwillige Selbstkontrolle der Filmwirtschaft. II … Universal-Lexikon
FSK — (del inglés Frequency shift keying) es un tipo de modulación de frecuencia en la cual la señal modulante desplaza la frecuencia de la onda portadora entre valores discretos predeterminados. Generalmente la frecuencia instantánea se desplaza entre … Enciclopedia Universal
FSK — FSK, die; = Freiwillige Selbstkontrolle (der Filmwirtschaft) … Die deutsche Rechtschreibung
FSK — Cette page d’homonymie répertorie les différents sujets et articles partageant un même nom. Sigles d’une seule lettre Sigles de deux lettres > Sigles de trois lettres Sigles de quatre lettres … Wikipédia en Français
FSK — Die Abkürzung FSK steht für: Freiwillige Selbstkontrolle der Filmwirtschaft Frequency Shift Keying, siehe Frequenzumtastung Fachschaftenkonferenz, siehe Fachschaft Federalnaya Sluschba Kontrraswedki, Vorgänger des russischen Geheimdienstes FSB… … Deutsch Wikipedia
FSK — frequency shift key … Military dictionary
FSK — Frequency Shift Keying (Computing » Telecom) Frequency Shift Keying (Community » Media) Frequency Shift Keying (Computing » General) Frequency Shift Keying (Governmental » Military) Frequency Shift Keying (Academic & Science » Electronics) *… … Abbreviations dictionary
FSK — Frequency Shift Keying (modulación digital por desplazamiento de frecuencia) … Diccionario español de neologismos
FSK — • Frequency Shift Keying Frequenzmodulation zur Signalisierung von Daten (Frequenz omega1 bedeutet Wert 0, omega2 bedeutet Wert 1) • Fort Scott, KS, USA internationale Flughafen Kennung … Acronyms
Россети ФСК ЕЭС
Одна из крупнейших в мире по протяженности линий и трансформаторной мощности публичных электросетевых компаний. В зоне ответственности «Россети ФСК ЕЭС» находятся порядка 148,6 тыс. км высоковольтных магистральных линий электропередачи и 885 подстанций общей установленной мощностью 352,2 тыс. МВА. Показать полностью.
Компания обеспечивает надежное энергоснабжение потребителей в 79 регионах России, обслуживая площадь около 15,1 млн кв. км.
Входит в ПАО «Россети», крупнейший энергетический холдинг страны, которому принадлежит 80,13% акций компании.
Численность персонала «Россети ФСК ЕЭС» составляет 22 тыс. человек. Доля работников с высшим профессиональным образованием превышает 60%.
Россети ФСК ЕЭС (ПАО «ФСК ЕЭС») – одна из крупнейших в мире по протяженности линий и трансформаторной мощности публичных электросетевых компаний.
В зоне ответственности Федеральной сетевой компании находятся порядка 145,9 тыс. км высоковольтных магистральных линий электропередачи и 958 подстанций общей установленной мощностью более 351,9 тыс. МВА. Компания обеспечивает надежное энергоснабжение потребителей в 79 регионах России, обслуживая площадь около 15,1 млн кв. км.
Входит в ПАО «Россети», крупнейший энергетический холдинг страны, которому принадлежит 80,13% акций компании. Численность персонала компании составляет 22 тыс. человек. Доля работников с высшим профессиональным образованием превышает 60%.
Председатель Правления – Андрей Муров.
Россети ФСК ЕЭС запись закреплена
«Россети» увеличат мощность подстанции в Саратовской области, питающей объекты «Газпрома» и РЖД
Началась модернизация ключевого центра питания в Саратовской области – подстанции 220 кВ «Аткарская». В результате реконструкции мощность объекта вырастет с 276 МВА до 300 МВА, что повысит надежность энергоснабжения действующих потребителей и создаст условия для подключения новых. Стоимость работ составит почти 1 млрд рублей. Показать полностью.
В настоящее время на подстанции завершили замену двух выработавших свой ресурс трансформаторов на современное силовое оборудование отечественного производства. Срок его службы составляет 25 лет.
На следующем этапе специалистам предстоит установить на открытом распределительном устройстве (ОРУ) 220 кВ 8 новых ячеек с современными элегазовыми выключателями и разъединителями, заменить старые электромеханические устройства релейной защиты и автоматики на современные микропроцессорные системы, построить обще-подстанционный пункт управления. Полностью работы завершатся в 2022 году.
Подстанция 220 кВ «Аткарская» участвует в электроснабжении инфраструктурных объектов «Газпрома» и РЖД, промышленных и сельскохозяйственных предприятий региона, а также более 400 тыс. бытовых потребителей четырех правобережных районов Саратовской области и города Аткарска.
Россети ФСК ЕЭС запись закреплена
«Россети ФСК ЕЭС» присоединит к Единой национальной электрической сети более 4 ГВт мощности потребителей в 2021 году
«Россети ФСК ЕЭС» завершила в срок все работы по подготовке объектов магистрального сетевого комплекса к осенне-зимнему сезону 2021/2022. За 10 месяцев присоединено к ЕНЭС более 2,1 ГВт мощности потребителей, по итогам года этот показатель превысит 4 ГВт. Показать полностью. Приоритетные задачи на ближайшие месяцы – сохранение надежности не ниже текущего уровня и исполнение инвестпрограммы. Об этом сообщил первый заместитель генерального директора – исполнительный директор ПАО «Россети» Андрей Муров на совещании с менеджментом и руководителями филиалов «Россети ФСК ЕЭС» – МЭС.
В январе-октябре лучшая динамика производственных показателей отмечена в Новгородском, Пермском и Самарском предприятиях МЭС, где удельная аварийность снизилась на 21%, 25% и 33% соответственно.
По итогам года ожидается полное выполнение филиалами плановых ориентиров инвестпрограммы. В числе ключевых задач – реализация мероприятий Комплексного плана модернизации и расширения магистральной инфраструктуры (распоряжение Правительства РФ №2101-р). Планируется завершение строительства линии электропередачи 220 кВ «Широкая – Лозовая» на Дальнем Востоке, а также нескольких объектов на Северо-Западе, которые входят в состав нового Кольско-Карельского транзита.
Кроме того, с начала года «Россети ФСК ЕЭС» выполнила ряд крупных мероприятий. В том числе ведена в эксплуатацию линия 220 кВ «Лесозаводск – Спасск – Дальневосточная», которая повысила надежность электроснабжения юга Приморского края, реализована схема выдачи мощности крупнейшей в России ветроэлектростанции – Кочубеевской ВЭС.
Россети ФСК ЕЭС запись закреплена
Россети
«Россети» открыли ключевой центр питания Северного Кавказа – подстанцию 500 кВ «Алания»
Состоялся пуск подстанции 500 кВ «Алания» мощностью 668 МВА, которая вошла в тройку крупнейших питающих центров Северного Кавказа. В торжественной церемонии приняли участие заместитель Председателя Правительства РФ Александр Новак, глава Республики Северная Осетия – Алания Сергей Меняйло и генеральный директор ПАО «Россети» Андрей Рюмин. Показать полностью.
Новый высокотехнологичный центр питания и отходящие линии электропередачи 500 кВ до подстанции «Невинномысск» под управлением «Россети ФСК ЕЭС» в Ставропольском крае (более 253 км) позволяют покрыть дефицит мощности в Северо-Осетинской, Дагестанской, Ингушской и Чеченской энергосистемах, обеспечить необходимый экспортный переток в сопредельные государства.
«Это самый масштабный проект в новейшей истории сетевого комплекса Северного Кавказа. Объем финансирования работ составил 15,8 млрд рублей. Такие вложения оправданы, поскольку речь идет о системной надежности электроснабжения и социально-экономическом развитии сразу четырех регионов нашей страны с населением около 6 млн человек. На подстанции 500 кВ «Алания» внедрены передовые технологические решения, которые обеспечивают высокую надежность и эффективность передачи электроэнергии», – отметил Андрей Рюмин.
На подстанции установлено современное силовое оборудование (автотрансформаторная группа мощностью 501 МВА с резервной фазой 167 МВА), высоконадежное элегазовое комплектное распределительное устройство 330 кВ.
Внедрена группа управляемых шунтирующих реакторов 500 кВ для компенсации реактивной мощности магистральной электрической сети и обеспечения допустимых уровней напряжения в прилегающей сети. Смонтирована система плавки гололеда на отходящих линиях 330 кВ и 500 кВ для минимизации рисков нарушений в работе в осенне-зимний период.
Более 80% всего оборудования произведено в России. В числе поставщиков – предприятия из Центрального, Северо-Западного, Приволжского, Уральского федеральных округов.
Обмен данными между всеми элементами подстанции осуществляется в цифровом формате. Более 10 тыс. сигналов оборудования обрабатывает автоматизированная система управления технологическими процессами. Энергообъект оснащен интеллектуальной системой учета электроэнергии, релейной защитой на микропроцессорной базе.
В ходе строительства линии электропередачи 500 кВ «Невинномысск – Алания» установлена 891 опора. По всей длине ЛЭП проложен волоконно-оптический кабель связи.
