بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
پارامترهای مخابراتی خطوط توزیع قدرت و حداقل سازی اثرات این پارامترها بر دیتای ارسالی
کلمات کليدي : خط توزيع قدرت ، نويز، تضعيف ، نويز ضربه اي ، کنسل کننده ، طيف گسترده
چکيده
در اين مقاله به بررسي خطوط توزيع قدرت از ديد مخابراتي پرداخته مي شود . عوامل موثر در اين کانال توضيح داده شده و مدل آنها ذکر خواهد شد. عواملي مانند تضعيف ، هارمونيکها، و تغييرات امپدانس اثر چنداني بر کارکرد در فرکانسهاي کاري PLC1 نداشته و مي توان اثر آنها را با فيلتر کردن يا افزايش توان فرستنده و استفاده از تکرار کننده ها جبران کرد. مشکل اصلي نويز بسيار عمده و فيدينگ ناشي از پديده چند مسيري مي باشد که توسط تکنيکهاي تصيح خطا، طيف گسترده ، چند حاملي ، فيلترينگ و روشهاي وفقي حذف نويز ضربه اي با آن مقابله مي شود
مقدمه
شبکه هاي توزيع قدرت ولتاژ پايين استفاده شده بعنوان شبکه مخابراتي تفاوت قابل توجهي با ساير کانالهاي مخابراتي دارند. بنابراين بررسي کامل مشخصات چنين کانالهايي جهت طراحي مودمها و تکنيکهاي تصحيح خطا سرعت بالا، ضروري مي باشد . فرکانس انتخاب شده بايستي از KHz ٣٠ زيادتر باشد، زيرا براي فرکانسهاي کمتر از اين مقدار،کوپلينگ موثر با خط انتقال با استفاده از خازنهاي کوپلينگ مشکل بوده ، نويز هارمونيکي بسيار قوي بوده و اجزاي الکتريکي بزرگ مي شوند. بدليل وجود خطوط توزيع در تمام مکانها، پتانسيل عظيمي براي سرويسهاي مخابراتي سريع و قابل اطمينان وجود دارد.
حوزه وسيعي از کاربردها مانند سرويسهاي ارزان ساده کاربرد خانگي که نرخ بيت انتقال داده کمي دارند تا سرويسهاي سرعت بالا مانند اينترنت ، صوت روي اينترنت را در بردارد. در شکل ١ ساختار لينک شبکه ولتاژ پايين اروپا نمايش داده شده است .
بدليل عوامل مخرب موجود در اين کانال سعي بر آنست که عوامل مخرب ذکر شده و در حد امکان راهکار مقابله با آنها بيان شود. البته براي هر عامل مخرب چندين مدل PLC امنيت بيشتري نسبت به ماکروويو يا خطوط اجاره اي داشته و محيطي قابل اطمينان مي باشد. اين خطوط قابليت اطمينان نسبتاً بالايي دارند زيرا ساختار محکم آنها در برابر خطرات طبيعي مانند برف و باران ، باد و طوفان مقاوم است . در واقع قابليت اطمينان اين خطوط براي انتقال حامل بيشتر از قابليت اطمينان آنها براي انتقال قدرت مي باشد، زيرا عايق بندي کافي جهت داشتن عملکرد مناسب حامل دارند.
شکل ١: ساختار لينک شبکه ولتاژ پايين اروپا
سيستم حامل قدرت از سه قسمت تشکيل شده است که عبارتند از :
- فرستنده ، گيرنده و تجهيزات آنها
- تجهيزات کوپلينگ و تيونينگ که اتصال به نقطه مورد نظر در خط قدرت را فراهم مي کند.
- سيستم ولتاژ بالا که بايستي مسير مناسبي جهت انتقال انرژي فرکانس بالا بين ترمينالها فراهم کند.
تجهيزات ترمينالها بجز تغييرات توان فرستنده که در محدوده ١٠ تا ١٠٠ وات بوده ، صرفنظر از طول خط يکسان مي باشد. کوپلينگ به کنداکتورهاي قدرت توسط خازنهاي کوپلينگ ولتاژ بالا انجام شده که حامل را هدايت کرده و از ورود انرژي ٥٠ هرتز به تجهيزات فرستنده و گيرنده جلوگيري مي کند. اين تجهيزات با شبکه سلفي که تيونر خط ناميده مي شود تيون شده تا
Insertion Loss در مرکز باند حامل را حداقل سازد.
Line Trap نيز جهت حداقل سازي تلف توان حامل در خطوط فرعي بکار مي زود.
١- تضعيف انتقال
اين پديده در کليه کانالهاي مخابراتي وجود دارد. در خط قدرت تضعيف به عواملي مانند مسير انتقال ، شرايط آب و هوايي ، فرکانس ، کوپلينگ و عوامل ديگر بستگي دارد. در خطوط قدرت مهمترين عامل تضعيف ، کرونا بوده که ناشي از يونيزه شدن فضاي اطراف هاديها است .اين پديده باعث اتلاف انرژي در ادوات قدرت شده و تداخل در سيستمهاي مخابراتي را باعث مي شود.
شکل ٢: تضعيف اتصال کابلي با طول ١٥٠ متر بر حسب فرکانس
همانطور که در شکل ٢ ديده مي شود با افزايش فرکانس تضعييف نيز افزايش مي يابد. بنابراين اتصالات کابل زمين مشخصات پايين گذري داشته و به اين ترتيب براي فرکانسهاي بالاي KHz ٥٠٠ پارامتر بسيار مهمي مي باشد. تضعيف (A) f,l يک خط با طول l برابر است با:
که ضريب تضعيف برابر است با:
که (f)aR بوسيله اثر پوستي ايجاد شده و (f )a ناشي از تضعيف دي الکتريک مي باشد. با توجه به اينکه هر دو تضعيف با افزايش فرکانس افزايش مي يابند معادله مي تواند به صورت زير نوشته شود:
مقادير k و x به نوع کابل بستگي داشته و ثابت هستند. با توجه به معادله ٣ تضعيف خطوط قدرت با افزايش طول و فرکانس افزايش مي يابد. انعکاسات بازگشتي ناشي از عدم تطبيق امپدانس بار و شاخه ها در شبکه توزيع ، اثر بسيار کمي در تضعيف داشته و تنها مقدار ناچيزي ريپل در منحني تض ع يف ايجاد مي کند. اليته انعکاسات ناشي از عدم تطبيق امپدانس باعث پئبئه چند مسيري شده و در صورت انتخاب نامناسب پالسهاي ارسالي باعث تداخل خواهد شد. روش ديگر جهت مدل کردن تضعييف با استفاده از مدل مرجع وجود دارد[٤]. در اين مدل از دو پارامتر جهت مدل سازي تضعييف استفاده شده که تضعيف به فرکانس انتخابي و قطر هادي بستگي دارد. در اين مدل
که a تضعيف در فرکانس f0 مي باشد. البته مدلهاي ديگري نيز براي تضعييف ارائه شده است . تضعيف خط بر حسب پارامترهاي R,L و C خط برابر است با:
با افزايش توان ارسالي و بکار بردن تکرار کننده ها مـي توان اثر تضعيف را کاهش داد.
٢- پديده چند مسيري
بر خلاف تلفن ، شبکه دسترسي خط قدرت خط ارتباط نقطه به نقطه بين ايستگاه و مشتري نمي باشد. لينک دسترسي بين ايستگاه و مشتري شامل کابلهاي توزيع ، کابلهاي اتصال خانگي و ... مي باشد. امپدانس کابل خانگي ZL بوده و مجموعه سيم بندي خانگي ١ از ديد شبکه دسترسي داراي امپدانس مختلط (f )ZH باشد که بدليل نقاط و شاخه هاي اتصال زياد در خانه اين
1 -Indoor wiring
امپدانس معمولاً کوچک مي باشد. (f)Z H ايستا بوده و نتيجتاً تغييرات امپدانس در شبکه خانگي صرفنظر مي شود. بنابراين انتقال سيگنال علاوه بر مسير مستقيم در ساير مسيرهاي بين فرستنده و گيرنده نيز منتقل مي شود.
اين پديده باعث اثر چند مسيري با فيدينگ فرکانس انتخابي ٢ مي شود. مطالعه انتقال درخطي بصورت زير انجام مي شود که لينک تنها شامل يک انشعاب که شامل بخشهاي ١، ٢ و ٣ با طولهاي l١ ، l٢ و l٣ و امپدانس مشخصه ZL١, ZL٢ و ZL٣ مي باشد.
شکل ٣ : انتقال سيگنال چند مسيري
جهت سادگي فرض مي شود که A وC منطبق بوده که به معني ZL١Z A و ZC=L٢. نقاط باقيمانده براي انعکاس B و D با فاکتور انعکاسي IB١ و ID٣ و IB٣ و فاکتور انتقال tB١ و tB٣ مي باشند. با اين فرض در عمل تعداد نامحدودي مسير انتقال در اثر انعکاسات چند باره وجود خواهد داشت ( يعني A C ، DBCB A ،B¬¬¬¬¬ A و ...)، هر مسير i داراي وزن gi مي باشد که توليد فاکتورهاي انتقال و انعکاس مسير را بيان مي کند. تمام ضرايب انعکاسي و انتقال کوچکتر يا مساوي يک مي باشند. اين نيز به اين دليل مي باشد که انتقال تنها در اتصالات ٣ رخ مي دهد. هر چقدر انعکاس و گذر بيشتري در خط زخ دهد فاکتور وزندهي gi کوچکتر مي شود. با توجه به اينکه مسيرهاي طولاني تر تضعييف بيشتري N محدود مي شود.
تاخير مسير برابر است با
که e ثابت دي الکتريک ، c٠ سرعت نور، و di طول کابل مي باشد. (A)f, d تضعيف کابل با فرکانس و فاصله افزايش مي يابد. بنابراين پاسخ فرکانسي از A تا C مي تواند بصورت زير بيان شود:
براي شبکه هاي پيچيده تر مي توان به طريق مشابهي عمل کرد.
در اين قسمت مدل آماري چند مسيري که باعث فيدينگ شده و ناشي از مدولاسيون امپدانس اصلي مي باشد بيان مي شود (اثرات تغيير امپدانس و مقدار تغييرات آن در بخشهاي بعدي ذکر خواهد شد). مدولاسيون امپدانس در اثر ورود و خروج غير خطي بارها به شبکه قدرت ايجاد مي شود. در اين قسمت تنها فرايند باند باريک منظور شد١ه و و در پهناي باند چند هزار هرتز فرکانس غير انتخابي است . اندازه گيريهاي عملي نشان مي دهد که فرايند فيدينگ سيگنال قويترين مولفه هاي طيفي را در f M ٢̄ اطراف فرکانس حامل دارد که M فرکانس AC (٥٠ هرتز) مي باشد. مدل داده شده براي اين سيکل کانال بصورت زير مي باشد
که , و جهت حداقل سازي مربع دامنه بردار خطا بين مشاهدات و مدل انتخاب مي شوند که مدل چند مسيري پيشنهادي براي خطوط قدرت با متوسط سيگنال دريافتي نرماليزه شده بصورت زير است :
٣- نويز
نويزهاي موثر در خطوط قدرت عبارتند از:
أ. نويز زمينه
چگالي طيف قدرت اين نويز تابعي کاهشي از فرکانس
بوده و بطور متوسط برابر است با:
مقدار K با زمان و مکان فرستنده . گيرنده lTr,lTe تغيير مي کند. K براي پريودهاي طولاني از زمان ثابت بوده و در طول روز و شب بدون تغيير بوده اما براي محيطهاي مختلف روستايي ، شهري و صنعتي متفاوت مي باشد.
براي محيطهاي مختلف k تقريباً توزيع گوسي با متوسط
٥.٦٤– و انحراف استاندارد ٠.٥ مي باشد.
ب. نويز پالسي
اين نويز در اثر سوئيچينگ توليد مي شود. اندازه گيري ها نشان مي دهد که اين نويز بطور متوسط در هر ثانيه يکبار رخ مي دهد. در مکانهاي صنعتي اين مقدار بزرگتر خواهد بود و در نقاط نيمه شهري اين پديده بيشتر در روز و ساعات ٧ تا ٩ و ١٩ تا ٢٤ اتفاق افتاده و پريود آن دو بار در ثانيه مي باشد. حداکثر رخداد اين نويز در تمام محيطها ٥ بار در ثانيه مي باشد. اين نويز و توزيع آن در مدل کانال بطور مبسوط بحث مي شود.
ج. نويز سنکرون
اين نويز توسط يکسو کننده هاي کنترل شده سيليکوني
SCR توليد شده که در مضارب ٥٠ هرتز بوجود مي آيد. اين نويز بطور منظم رخ نداده ولي اگر يکبار رخ دهد
ساعتهاي زيادي حضور دارد.
د. نويز باند باريک نامرتبط با فرکانس سيستم توزيع
اغتشاشات تلويزيون (KHz ١٥.٦٢٥ براي استاندارد اروپايي Pal) و انواع مختلف نويز در اثر منابع تغذيه سوئيچي و ... از اين نوع مي باشند.
٣-١- توزيع آماري نويز کلي DLC
در شبکه هاي ولتاژ بالا، نويز کانال ممکن است ناشي از رعد و برق ، عمليات وقفه اي مدار، و ناپاي داريهاي توليد شده در ايستگاه قدرت باشد. نشان داده مي شود که نويز موجود در خطوط قدرت فرآيندي ايستان دوري بوده و توزيع دامنه در همان فاز منبع AC داراي توزيع گوسي است . واريانس اين فرايند (t) ٢ يک تابع دوري با پريود 2.T بوده که T تناوب برق شهر مي باشد.
واريانس نويز مجموع ئاريانس سه نوع نويز بوده و برابر است با:
که ١ f فر کانس ولتاژ AC ،Ai پارامتر دامنه ، q پارامتر فاز و ni درجه پالسي ١ مي باشند. همانطور که ديده شد واريانس نويز مجموع واريانس سه نويز است
که عبارتند از:
نويز ايستان
نويز پيوسته سيکلي
نويز گسسته سيکلي
نوع اول ( نويز ايستان ) نويز متغير با زمان است و n١
برابر صفر بوده و ١ مقداري اختياري است . نوع دوم و سوم نويزهاي متناوب مي باشند. جزء سوم نويز پالسي بوده و طولاني تر از نويز دوم مي باشد.
٣-١-١- مدل کانال
بدليل ورود وخروج بارهاي مختلف در شبکه مدل اين کانال نامشخص مي باشد. نويز در خطوط قدرت به نويز پالسي و نويز زمينه تقسيم مي شود. جهت تحليل اثرات آنها در خطوط قدرت فرض مي شود که نويز زمينه
wk نويز گوسي سفيد جمع شونده ( AWGN ) بوده که داراي متوسط صفر و واريانس w٢ است و نويز
پالسي ik توسط رابطه زير بدست مي آيد:
که bk فرآيند پواسون زمان رسيدن (ورود نويز) بوده و gk فرايندي گوسي با متوسط صفر و واريانس i٢ مي باشد. از نظر فيزيکي اين مدل به اين معني است که سمبلهاي داده ارسالي بطور مستقل توسط نويز پالسي با احتمال bk با دامنه تصادفي gk هدف قرار گيرند(hit).
اگر ak سيگنال ارسالي باشد در اينصورت سيگنال دريافتي مي تواند بصورت زير بيان شود:
تابع چگالي احتمال نويز عبارت است از:
که در آن nkR و nkI قسمتهاي حقيقي و موهومي nk بوده و احتمال وقوع نويز پالسي بوده و (G)x چگالي گوسي تعريف شده بصورت زير است :
ارين خدااسد نت ويزکه تصزماادنفي وقتقوعريباً نتوويززيع پالپسواي سوفرن ايدنادشيته پکوه سبومنعني با نرخ واحد بر ثانيه بوده ، بنابراين رخداد k بار در t ثانيه توزيع احتمال بصورت زير دارد:
