Σχεδίαση βέλτιστων σημάτων για την μετάδοση ευρυζωνικών πληροφοριών διαμέσου του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

In recent years, the use of indoor power lines for transmitting data and voice has gained rapid interest. The main advantage of power line communications (PLC) is that they exploit the existing wiring of a building, providing a wired alternative to the local loop. On the other hand, power lines constitute a challenging communication medium in terms of noise, attenuation and multipath propagation. Considering power line noise and attenuation, the frequency zone between 1-30 MHz is believed to be ideal for the operation of PLC systems. However, this frequency range is used by amateur radio operators, international shortwave broadcasters, and a variety of communication systems (military, aeronautical, etc.), thus a potential for harmful interference with other users exists. Thus, the power of high frequency signals injected into the power lines should not exceed certain limits that compromise the demand for low interference potential and reliable power line communications. This thesis proposes an exclusively digital communication system (transmitter-receiver) for indoor power line communications. The system adopts orthogonal frequency division modulation (OFDM), since OFDM can combat the frequency selective attenuation of the PLC channel and multipath propagation effect. The transmitter and the receiver are designed according to the Software Defined Radio (SDR) technology, and are implemented on Field Programmable Gate Array (FPGA) chips. After a short introduction to the SDR technology, the operation of the system is analyzed. The system is simulated in Matlab environment, and the first experimental tests are performed over a coaxial cable medium. Special attention is paid to the problem of frame synchronization at the receiver, i.e. recognizing every arriving frame at the receiver and specifying the frame boundaries with accuracy. Appropriate coupling circuits for injecting or extracting the high frequency signal to the power network are also examined. Finally, the operation of the communication system is evaluated over a real power line home network. Different variants of the initial communication system are proposed and are tested over different network topologies in terms of bit error rate and data rate. Full theoretical explanation of the performance of the examined communication systems is also provided.

Τα τελευταία χρόνια η χρήση των εσωτερικών ηλεκτρικών εγκαταστάσεων κτηρίων για τη μετάδοση δεδομένων και φωνής παρουσιάζει υψηλό ενδιαφέρον. Το κύριο πλεονέκτημα των τηλεπικοινωνιών μέσω των γραμμών τάσης είναι ότι εκμεταλλεύονται την υφιστάμενη καλωδίωση των κτηρίων, παρέχοντας έτσι μια ενσύρματη τηλεπικοινωνιακή λύση εναλλακτική του συνδρομητικού βρόχου. Από την άλλη, η χρήση των γραμμών ηλεκτροδότησης ως τηλεπικοινωνιακού μέσου αποτελεί πρόκληση εξαιτίας των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών του θορύβου, της εξασθένησης και της διάδοσης πολλαπλών διαδρομών. Συνυπολογίζοντας το θόρυβο και την εξασθένηση των γραμμών τάσης, η ζώνη 1-30MHz θεωρείται ιδανική για τη λειτουργία τηλεπικοινωνιακών συστημάτων μέσω του ηλεκτρικού δικτύου. Εντούτοις η συχνοτική αυτή περιοχή χρησιμοποιείται από ραδιοερασιτέχνες, διεθνείς ραδιοφωνικές εκπομπές, και από πλήθος επικοινωνιακών δικτύων (στρατιωτικά, αεροναυτικά, κλπ.), οπότε ελλοχεύει ο κίνδυνος παρεμβολής με άλλους χρήστες. Έτσι η ισχύς των υψίσυχνων σημάτων που εγχέονται στο ηλεκτρικό δίκτυο δεν θα πρέπει να υπερβαίνει συγκεκριμένα όρια που συμβιβάζουν την απαίτηση για χαμηλή παρενόχληση και αξιόπιστες επικοινωνίες μέσω των γραμμών τάσης. Στην παρούσα διατριβή προτείνεται ένα αμιγώς ψηφιακό σύστημα για εκπομπή-λήψη δεδομένων (πομπός-δέκτης) πάνω από ένα οικιακό ηλεκτρικό δίκτυο. Το σύστημα υιοθετεί ορθογωνική διαμόρφωση διαίρεσης συχνότητας (OFDM) για την καλύτερη αντιμετώπιση της επιλεκτικής ως προς τη συχνότητα εξασθένησης του διαύλου και του φαινομένου των πολλαπλών διαδρομών. Η σχεδίαση πομπού και δέκτη βασίζεται στην τεχνολογία Software Defined Radio-SDR και χρησιμοποιούνται ολοκληρωμένα chip FPGA (Field Programmable Gate Arrays). Έπειτα από μια σύντομη παρουσίαση της τεχνολογίας SDR, αναλύεται η λειτουργία του συστήματος. Παρέχονται προσομοιώσεις της λειτουργίας του συστήματος σε περιβάλλον Matlab ενώ παρουσιάζονται και οι πρώτες πειραματικές δοκιμές σε πραγματικό περιβάλλον. Ως κανάλι χρησιμοποιούμε για αρχή ένα απλό ομοαξονικό καλώδιο. Στο σημείο αυτό δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στο θέμα του συγχρονισμού πλαισίων μεταξύ πομπού και δέκτη, στο ζήτημα δηλαδή της ακριβούς ανάκτησης των εκπεμπόμενων πλαισίων του πομπού από το δέκτη. Στη συνέχεια εξετάζουμε κατάλληλες διατάξεις προσαρμογής του συστήματος στο κανάλι των γραμμών ηλεκτροδότησης, την επίδρασή τους στην επίδοση του συστήματος και προτείνονται βελτιώσεις. Έπειτα παρουσιάζεται η λειτουργία του συστήματος σε ένα πραγματικό δίκτυο γραμμών τάσης. Προτείνονται διάφορες παραλλαγές του αρχικού συστήματος, οι οποίες δοκιμάζονται σε διαφορετικούς διαύλους, και αξιολογούνται από δείκτες επίδοσης όπως ο ρυθμός μετάδοσης και ο ρυθμός λαθών. Οι επιδόσεις των διαφόρων παραλλαγών του τηλεπικοινωνιακού συστήματος παρουσιάζονται συγκριτικά και παρέχεται πλήρης θεωρητική επεξήγησή τους.