EP1344366A2 - Mehrträgerübertragung auf einer energieversorgungsleitung - Google Patents

Mehrträgerübertragung auf einer energieversorgungsleitung

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Publication number
EP1344366A2
EP1344366A2 EP01995578A EP01995578A EP1344366A2 EP 1344366 A2 EP1344366 A2 EP 1344366A2 EP 01995578 A EP01995578 A EP 01995578A EP 01995578 A EP01995578 A EP 01995578A EP 1344366 A2 EP1344366 A2 EP 1344366A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ofdm
pulse
interference
receiver
transmitted
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01995578A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Norbert Elsner
Gerd Griepentrog
Reinhard Maier
Klaus Dostert
Wilfried Matthee
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP1344366A2 publication Critical patent/EP1344366A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04B3/54—Systems for transmission via power distribution lines
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L5/00—Arrangements affording multiple use of the transmission path
    • H04L5/003—Arrangements for allocating sub-channels of the transmission path
    • H04L5/0044—Allocation of payload; Allocation of data channels, e.g. PDSCH or PUSCH
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04B2203/00—Indexing scheme relating to line transmission systems
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    • H04B2203/5462—Systems for power line communications
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    • H04B2203/54—Aspects of powerline communications not already covered by H04B3/54 and its subgroups
    • H04B2203/5462—Systems for power line communications
    • H04B2203/5491—Systems for power line communications using filtering and bypassing

Definitions

  • the periodic interference pulses are caused by the commutation of the current in the rectifier.
  • the converter components or valves usually diodes or thyristors, in a rectifier carry the direct current alternately.
  • inductances between the valves create a voltage peak, which is associated with voltage increases of the order of magnitude of approximately 400 kV / s. Since the commutation times are determined by the frequency of the AC network, the interference pulses occur in a certain time grid, that is to say periodically.
  • the object of the invention is therefore to specify a suitable data transmission method, which can be used in particular in DC voltage power supplies, and to provide an associated device.
  • the problem mentioned at the outset is solved in a simple manner by designing the OFDM method in such a way that the OFDM blocks to be transmitted have a length of approximately 85% of the distance between two periodic interference pulses.
  • the frequency difference of two carriers must be in an integer ratio to the reciprocal length of the OFDM block.
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  • Figure 1 is a graphical representation of the time course of a DC voltage for a subway system, Figure 2 and the transmitter part
  • FIG. 3 shows the receiver part of a suitable device for data transmission in the case of DC voltage curves according to FIG. 1.
  • PLC Powerline Communication
  • subways are operated with a nominal DC voltage of 750 V. It is common practice to provide the DC voltage using 12-pulse rectifiers, which in turn are fed by a converter transformer.
  • the 12-pulse rectifiers consist of two 6-pulse rectifiers, which in turn are fed by two windings of the converter transformer that are electrically offset by 30 ° from each other.
  • the converter transformer is primarily connected to the general energy supply with a mains frequency of 50 Hz.
  • the described method can also be used at other frequencies such as Can be used at 60 Hz.
  • FIG. 1 shows, by way of example, a measured time profile of the DC train voltage over a period of 20 ms.
  • the voltage signal is denoted by 1. It can be seen that the DC voltage is not constant, but rather is subject to fluctuations of up to approximately 80 V.
  • the useful signal of a PLC system arriving at the receiver depends on the transmission properties of the route and the distance of the transmitter and is only a few 10 mV to a maximum of about 1 V due to the limited permissible transmission power.
  • the data signal is partitioned in such a way that a single data block with a certain safety distance fits between two interference pulses.
  • the data signal is thus always transmitted in a fault-free time period, the precise temporal correlation with the interference pulse pattern being established with the combination of threshold switch 33a and subsequent phase-locked loop 33b described above.
  • a receiver 30 is formed from a coupling unit 31 for the rail system from FIG. 2, which is followed by a filter 32, an impedance 34 and a short-circuiter 35.
  • AGC Automatic Gain Control
  • the data are sent to a processing unit 38 for OFDM signals via an A / D converter 37.
  • the interference pulses are recorded with the aid of a threshold switch on the network side and fed to a phase locked loop (PLL) for the purpose of jitter suppression as a rectangular guide signal.
  • PLL phase locked loop
  • the stable synchronizing signal from the phase locked loop in the time grid of the interference pulses is then fed to a the 'short closers 35 and the other processing unit 38 for OFDM signals.
  • the short-circuiter thus suppresses the received signal for as long as an interference pulse lasts and releases the receiver input as soon as the interference-free period between the interference pulses begins. Due to the stable synchronization signal, the processing unit 38 for OFDM signals the exact 'temporal position of the known data packets to be processed, can be carried out so that a proper data recovery.
  • a switch in the parallel branch can also be used.
  • the impedance 34 is not required in this case.
  • the interference pulse is e.g. kept away from the OFDM processing unit in that the signal line via an analog switch, e.g. in
  • the signal is fed to the amplifier 36 with automatic gain control (AGC), which amplifies it to a level optimally set for the A / D conversion.
  • AGC automatic gain control
  • the partitioned signals are then combined in the subsequent processing units and decoded in accordance with the prior art.
  • the OFDM method known per se is modified by a division, ie a so-called partitioning of the data, in such a way that a transmission takes place only in virtually trouble-free time segments .
  • the transmission process is synchronized with the periodic pulse interferer and it is sent exactly between the interference pulses. Accordingly, the detection and masking of the interference pulses takes place in the receiver.
  • the partitioned data can be combined.
  • the invention has been described above ' specifically for data transmission in a DC voltage supply for subways.
  • the invention can also be used in other networks operated with DC voltage, for example in DC voltage networks for the self-supply of switchgear.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Cable Transmission Systems, Equalization Of Radio And Reduction Of Echo (AREA)
  • Noise Elimination (AREA)

Abstract

Bei der Datenübertragung auf elektrischen Energieleitungen ist das OFDM-Verfahren bekannt, bei dem die zu übertragende Information auf zahlreiche Träger verteilt und das Summensignal der modulierten Trägersignale in Form eines OFDM-Blocks übertragen wird. Standard-OFDM-Verfahren sind jedoch in hohem Masse empfindlich gegen starke periodische Impulsstörer. Gemäss der Erfindung wird das Verfahren daher so ausgelegt, dass die zu übertragenden OFDM-Blöcke eine Länge von etwa 85 % des Abstandes zwischen zwei periodischen Störimpulsen aufweisen. Der Trägerabstand ergibt sich entsprechend aus der reziproken Dauer der OFDM-Blöcke. Die gesendeten OFDM-Blöcke werden so mit impulsförmigen periodischen Störern synchronisiert, dass jeweils ein Block zwischen zwei Störimpulsen liegt. Beim Empfänger können die impulsförmigen Störer ausgeblendet werden. Dazu weist die Vorrichtung einen entsprechend ausgelegten Sender (20) und zugehörigen Empfänger (30) auf.

Description

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Speziell bei Gleichstromversorgungen treten i.a. aufgrund der Gleichspannungsgenerierung mit Gleichrichtern insbesondere periodische Störsignale aufr .dj-e nachfolgend kurz als „Stö- rer oder allgemein als Störimpulse bezeichnet werden. ' ;
Die periodischen Störimpulse werden durch die Kommutierung des Stromes im Gleichrichter hervorgerufen. Die Stromrichterbauelemente oder Ventile, üblicherweise Dioden oder Thyristoren, in einem Gleichrichter führen den Gleichstrom abwech- selnd. Bei Wechsel des Gleichstromes von einem Ventil auf ein anderes Ventil entsteht durch Induktivitäten zwischen den Ventilen eine Spannungsspitze, die mit Spannungsanstiegen in der Größenordnung von etwa 400 kV/s verbunden ist. Da die Kommutierungszeitpunkte von der Frequenz des Wechselstromnet- zes bestimmt werden, treten die Störimpulse in einem bestimmten zeitlichen Raster, also periodisch, auf.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein geeignetes Datenübertragungsverfahren anzugeben, das insbesondere in Gleichspan- nungs-Energieversorgungen anwendbar ist, und eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Verfahrensansprüchen angegeben. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruches 9. Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den abhängigen Sachansprüchen angegeben.
Bei der Erfindung wird das eingangs genannte Problem in einfacher Weise dadurch gelöst, indem das OFDM-Verfahren so ausgelegt wird, dass die zu übertragenden OFDM-Blöcke eine Länge von etwa 85 % des Abstandes zwischen zwei periodischen Störimpulsen aufweisen. Um die Orthogonalität der Träger zu ge- währleisten, muss die Frequenzdifferenz von zwei Trägern in einem ganzzahligen Verhältnis zur reziproken Länge des OFDM- Blockes stehen. cυ u r KJ h-1 P1 cπ o cπ o cπ o Cπ
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Störungen aufweist. Dies gilt generell für Gleichspannungsnetze und häufig auch für Wechselspannungsnetze.
Weitere Einzelheiten und Vorteile- der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen
Figur 1 in einer graphischen Darstellung den zeitlichen Verlauf einer Gleichspannung für ein U-Bahnsystem, Figur 2 den Senderteil und
Figur 3 den Empfängerteil einer geeigneten Vorrichtung zur Datenübertragung bei Gleichspannungsverläufen gemäß Figur 1.
Auf Stiomversorgungsleitungen von U-Bahnen sollen zusätzlich zur Energieversorgung Daten übertragen werden. Die auch als Powerline Communication (PLC) bezeichnete Technik moduliert hierbei die zu übertragenden Informationen auf geeignete Träger und überlagert die Modulationsprodukte der Versorgungs- Spannung des U-Bahnsystems .
U-Bahnen werden beispielsweise mit einer Nenn-Gleichspannung von 750 V betrieben. Allgemein üblich ist es, die Gleichspannung durch 12-pulsige Gleichrichter bereitzustellen, die wie- derum von einem Stromrichtertrafo gespeist werden. Hierbei bestehen die 12-pulsigen Gleichrichter aus zwei 6-pulsigen Gleichrichtern, die wiederum von zwei, zueinander 30° elektrisch versetzten Wicklungen des Stromrichtertrafos gespeist werden. Der Stromrichtertrafo ist primärseitig mit der allge- meinen Energieversorgung mit einer Netzfrequenz von 50 Hz verbunden. Das beschriebene Verfahren ist ohne Einschränkung auch bei anderen Frequenzen wie z.B. 60 Hz einsetzbar.
Im allgemeinen enthält ein U-Bahnsystem. mehrere Gleichrich- ter, die in Abständen von ca. 2 km entlang des Streckennetzes installiert sind. Sämtliche Gleichrichter speisen das U-Bahn- System gemeinsam und sind über die Stromschiene des U-Bahn- Systems elektrisch miteinander verbunden.
Zur weiteren Verdeutlichung der Problemstellung zeigt Figur 1 beispielhaft einen gemessenen zeitlichen Verlauf der Bahn- Gleichspannung über einen Zeitraum von 20 ms. Das Spannungssignal ist mit 1 bezeichnet. Es ist ersichtlich, dass die Gleichspannung nicht konstant, sondern vielmehr Schwankungen von bis ca. 80 V unterworfen ist.
Insbesondere bei der Kommutierung der Ströme in den Gleichrichtern entstehen im Abstand von 20 ms/12 = 1,67 ms (bei 50 Hz - Versorgung) steilflankige SpannungsSprünge mit Amplituden von typisch 50 V. Die hieraus resultierenden, breitban- digen Störungen reichen bis zu Frequenzen von einigen 100 kHz und liegen damit im Frequenzbereich von Powerline-Communica- tion-Systemen.
Aus Figur 1 ergibt sich, dass die durch die steilflankigen Spannungssprünge der Bahnspannung hervorgerufenen Störungen durch Filter nur teilweise unterdrückt werden können, da immer ein Teil der spektralen Störenergie den Bandpass passieren kann. So werden selbst durch aufwendige Filterschaltungen die Spannungssprünge auf der Bahnspannung lediglich auf 10 % reduziert und betragen damit typisch 5 V. Nach einem Filter sind somit immer noch netzsynchrone, periodische Impulsstörer beträchtlicher Amplitude vorhanden.
Das am Empfänger ankommende Nutzsignal eines PLC-Syste s ist von den Übertragungseigenschaften der Strecke und der Entfernung des Senders abhängig und beträgt wegen begrenzter zulässiger Sendeleistung nur einige 10 mV bis höchstens etwa 1 V. Damit ist das impulsförmige Störsignal stets höher als das Nutzsignal, wodurch sich ein sehr schlechtes Signal-Rausch- Verhältnis (SNR = Signal-to-Noise Ratio) ergibt. co ω w N> P> P1
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können, beeinflusst wird, sonder nur auf das Störimpulsraster fixiert wird.
Es folgt eine Ankoppeleinhei.t" 24' zur Ankopplung an ein Schie- nensystem 25 einer U-Bahn.' Auch ein anderes Stromversorgungsnetz für verkehrstechnische Einrichtungen kann genutzt werden.
Im Sender 20 wird das Datensignal so partitioniert, dass ein einzelner Datenblock mit einem gewissen Sicherheitsabstand jeweils zwischen zwei Störimpulse passt. Somit wird das Datensignal stets in einem störungsfreien Zeitabschnitt ausgesandt, wobei die präzise zeitliche Korrelation zum Störim- pulsraster mit der oben beschriebenen Kombination aus SchwelJJwertschalter 33a und nachfolgender Phasenregelschleife 33b hergestellt wird.
In Figur 3 ist ein Empfänger 30 aus einer Ankoppeleinheit 31 für das Schienensystem aus Figur 2 gebildet, dem ein Filter 32, eine Impedanz 34 und ein Kurzschließer 35 folgt.
Dem Kurzschließer 35 erfolgt eine Einheit zur automatischen Verstärkungsregelung (AGC = Automatic Gain Control) entsprechend dem Stand der Technik. Über einen A/D-Wandler 37 werden die Daten auf eine Verarbeitungseinheit 38 für OFDM-Signale gegeben.
Auch hier werden mit Hilfe eines Schwellwertschalters auf Netzseite die Störimpulse erfasst und als rechteckför iges Führungssignal einer Phasenregelschleife (PLL) zwecks Jitter- unterdrückung zugeführt.
Das stabile Synchronisationssignal aus der Phasenregelschleife im Zeitraster der Störimpulse wird nun zum einen dem'Kurz- schließer 35 und zum anderen der Verarbeitungseinheit 38 für OFDM-Signale zugeführt. Der Kurzschließer unterdrückt somit das Empfangssignal genau so lange wie ein Störimpuls dauert und gibt den Empfängereingang frei, sobald der störungsfreie Zeitabschnitt zwischen den Störimpulsen beginnt. Durch das stabile Synchronisationssignal, ist der Verarbeitungseinheit 38 für OFDM-Signale die genaue' zeitliche Lage der zu verar- beitenden Datenpakete bekannt, so dass eine einwandfreie Datenrückgewinnung erfolgen kann.
Statt des Kurzschließers 35 in der Ausgangsleitung des Filters 32 mit vorgeschalteter Impedanz 34 kann auch ein Schal- ter im Parallelzweig verwendet werden. Die Impedanz 34 wird in diesem Fall nicht benötigt.
Nach der Entkopplung über die Impedanz 34 wird der Störimpuls z.B. dadurch von der OFDM-Verarbeitungseinheit ferngehalten, dass die Signalleitung über einen Analogschalter, z.B. in
Form eines Transistors, kurzgeschlossen wird. Wie erwähnt ist es auch möglich, einen elektronischen Schalter seriell anzubringen und während der Impulsstörung die nachgeordnete Signalverarbeitung vom Filterausgang zu trennen.
Das Signal wird dem Verstärker 36 mit automatischer Verstärkungsregelung (AGC) zugeführt, die es auf einen optimal für die A/D-Wandlung festgelegten Pegel verstärkt. In den nachfolgenden Verarbeitungseinheiten werden dann die partitio- nierten Signale zusammengefügt und dem Stand der Technik entsprechend dekodiert.
Wesentlich ist bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung, dass das an sich bekannte OFDM- Verfahren durch eine Aufteilung, d.h. eine sog. Partitionie- rung der Daten, modifiziert wird, und zwar so, dass eine Übertragung nur in nahezu störungsfreien Zeitabschnitten erfolgt.. Dazu erfolgt eine Synchronisation des Sendevorgangs mit dem periodischen Impulsstörer und es wird jeweils genau zwischen den Störimpulsen gesendet. Entsprechend erfolgt im Empfänger die Detektion und ein Ausblenden der Störimpulse. Nach der OFDM-Signalverarbeitung ist eine Zusammensetzung der partitionierten Daten möglich.
Die Erfindung wurde vorstehend' speziell für die Datenübertragung bei einer Gleichspannüngsversorgung für U-Bahnen beschrieben. Auch bei anderen mit Gleichspannung betriebenen Netzen, beispielsweise bei Gleichspannungsnetzen zur Eigenversorgung von Schaltanlagen, ist die Erfindung einsetzbar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Übertragung .y.on Daten auf wenigstens einer elektrischen Energieversorgungsleitung, wobei periodisch i - pulsförmige Störsignale mit dazwischen liegenden nahezu störungsfreien Zeitabschnitten auftreten, unter Einsatz des OFDM-Verfahrens' (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) , wobei die zu übertragende Information auf mehrere Träger verteilt und das Summensignal aller modulierten Träger in Form eines OFDM-Blocks übertragen wird, mit folgenden Merkmalen:
- das OFDM-Verfahren wird so ausgelegt, dass die zu übertragenden OFDM-Blöcke den Großteil der Periodendauer der im- pulsförmigen Störsignale ausfüllen und zwischen zwei aufeinander folgenden OFDM-Blöcken eine Pau- se vbn etwa der Dauer eines Störimpulses eingehalten wird,
- die Lage der gesendeten OFDM-Blöcke wird so mit den im- pulsförmigen, periodischen Störimpulsen synchronisiert, dass ein OFDM-Block zwischen zwei periodischen Störimpulsen liegt, und - die impulsförmigen Störsignale am Empfänger durch eine geeignete Schaltung ausgeblendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die OFDM-Blöcke eine Länge von etwa 85 % der Periodendauer der impulsförmigen Störsignale ausfüllen und zwischen zwei aufeinander folgenden OFDM-Blöcken eine Pause von ca. 15 % der Periodendauer der Störsignale einhalten.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Synchronisation zwischen den periodisch wiederkehrenden Störimpulsen und den Sendern und Empfängern über Schwellwertschalter zur Impulsdetektion vorgenommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im Sender nach dem Einrasten der Phasenregelschleife auf die Impulsstörerfolge der Schwellwertschalter während der Aussendung der Daten deaktiviert wird und nur zu den Zeiten, .--zu, denen ein Störimpuls erwartet wird, ein passendes Zeitfenster geöffnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Unterdrückung von Jitter bei der Synchronisation eine analoge oder digitale Phasenregelschleife eingesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das OFDM-Signal die Schaltung zum Ausblenden von Störimpulsen ungehindert passieren kann. 1
7. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen Ankoppeleinheit und Empfänger eine Impedanz angebracht wird, und die Störer durch Kurzschließen der Empfangsleitung hinter der Impedanz ausgeblendet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Störimpulse durch Trennen der Ankoppeleinheit vom Empfänger ausgeblendet wer- den.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die periodisch wiederkehrenden Störimpulse zu einer Grobsynchronisati- on von OFDM-Sendern und OFDM-E pfängern genutzt werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der erste OFDM-Block zur Feinsynchronisation des Empfängers genutzt wird, und dass im Anschluss an die Feinsynchronisation Trainingssequenzen übertragen werden und dass sich daran die die Nutzinformation tragenden OFDM-Blöcke anschließen.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2; bis 10, mit einem Sender und mit einem Empfänger, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Sender (-20) und der Empfänger (30) Verarbeitungseinheiten (21, 38) für das OFDM-Signal mit zugehörigen Ankoppeleinheiten (24, 31) aufweisen, wobei Mittel (23, 33) zur Synchronisation der Sendesignale mit den periodischen Störimpulsen vorhanden sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Mittel zur Synchronisation Schwellwertschalter (23a, 33a) mit nachgeschalteter Phasenregelschleife (23b, 33b) im Sender (20) und im Empfänger (30) sind, wobei der Schwellwertschalter im Sender nach Einrasten der Phasenregelschleife nur noch in den Zeitabschnitten, in denen ein Störimpuls erwartet wird, aktiv ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass im Sender (20) der Verarbeitungseinheit (21) für das OFDM-Signal ein Verstärker (22) nachgeschaltet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass der Empfänger (30) eine Verarbeitungseinheit (38) für das OFDM-Signal und eine Ankoppeleinheit (31) aufweist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass der Ankoppeleinheit (31) ein Filter (32), eine Impedanz (34) und ein Kurzschließer (35) nachgeschaltet sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass der Ankoppeleinheit (31) ein Filter (32) und ein Schalter im Längszweig ohne Impedanz nachgeschaltet sind.
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