Что такое модем
Если разбирать этимологию слова «модем», то видно, что состоит оно из двух слов: «модулятор» и «демодулятор». Если объяснять простым языком, что такое модем, то это аппарат, который служит для того, чтобы правильно преобразовывать, входящий и исходящий сигнал, который в итоге позволяет связать некоторые устройства в сети. Самым известным типом модемов послужили модемы для dial-up соединения, которые повсеместно использовались в 90-е годы в нашей стране. Благо, на момент написания этой статьи, появились более удобные и высокоскоростные возможности по выходу в интернет.
На сегодняшний день существует несколько видов модемов:
- Для телефонной коммутируемой линии
- ISDN
- DSL
- Кабельные
- Радио
- Спутниковые
- PLC
Первый пункт в списке — это именно те модемы для dial-up доступа, которые издают характерные звуки набора номера, особо знакомые компьютерщикам постарше.
ISDN-модемы используются на цифровых коммутируемых линиях, на таких линиях при такой технологии возможно получить более высокоскоростной интернет, плюс голсовой канал передачи данных, при этом весьма не плохой.
Самыми распространенным на сегодняшний день являются DSL-модемы. При помощи этих устройств организовывают выделенную (значит некоммутируемую) линию, при этом сигнал идет через телефонную сеть. Его отличие от коммутируемых модемов состоит в том, что для работы используется другой диапазон частот, благодаря чему сигнал идет только от модема до АТС. Из-за такой особенности почти все dsl-линии позволяют одновременно выходить в интернет и осуществлять телефонную связь без особых проблем (для разделения частот между телефоном и модемом потребуется устройства, называемое «сплиттер», которое послужит разделителем частот).
Кабельные модемы — устройства для России очень редкие, используются для обмена данными через специализированные кабели, например существует кабель для телевидения, осуществляемого по протоколу DOCSIS.
Радио и спутниковые модемы, как не сложно догадаться, преобразуют беспроводной сигнал. Такие модемы тоже остаются большой редкостью для нашей страны.
Последним в пункте обозначен PLC-модем. Интересен этот модем тем, что он преобразует сигнал, поступаемый из бытовой электрической сети. Да-да, уже давно существует возможность организовать канал передачи данных через бытовую электросеть. Данный способ интересен тем, что не существует квартир без проводки, а значит и возможность предоставить интернет близится к ста процентам. В некоторые городах в тестовой эксплуатации находились подобные сети в новостройках, когда въезжающие жильцы сразу же получали бесплатный интернет.
Также модемы разделяются по принципу работы, что во многом определяет и цену на устройство.
Самые «полноценные» — это аппаратные модемы. Такие устройства берут на себя преобразование сигнала, поддерживают физические протоколы обмена, а в самом модеме находится ПЗУ с программой, которая и управляет модемом. Ярким примером таких модемов служат DSL-модемы. Существуют вин-модемы, отличающиеся от аппаратных только тем, что не имеют встроенной ПЗУ с программой управления, а управляются специальными драйверами с компьютера. Приставку Вин- получили из-за того, что такие драйвера в большинстве своем писались только под ОС MS Windows. Полупрограммные модемы, как не сложно догадаться, передают часть функций на обработку компьютеру. И самые не-аппаратные модемы — это программные. Сам модем содержит только аналоговую схему и преобразователи, в довесок с контроллером интерфейса, который позволит модему обмениваться информацией с ПК, который уже и будет выполнять абсолютно всю работу.
Насосы Технохим
Производим и реализуем Насосы Технохим. На сайте Вы найдете характеристики и области применения насосов. Предоставляем гарантийное и постгарантийное обслуживание.
OFDM-модемы для PLC-связи: стандарты, производители, компоненты
В статье дан обзор компаний-производителей компонентов для узкополосной технологии передачи данных по электросети, в которых используется модуляция с мультиплексированием и ортогональным частотным разделением каналов.
ВВЕДЕНИЕ
Увеличение сложности и расширение функциональности автоматизированных систем типа AMR/AMI/AMM требует, соответственно, увеличения скорости передачи данных. В последние годы повышенный интерес и пристальное и внимание вызывает PLC-технология с использованием модуляции OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — мультиплексирования с ортогональным частотным разделением), использование которой позволяет существенно увеличить пропускную способность канала связи [1—9].
Испанская компания Advanced Digital Design S.A. (ADD) со штаб-квартирой в Сарагосе — один из ведущих разработчиков IP-ядер, заказных микросхем (ASIC) и систем на кристалле для применения в PLC-модемах. Компания ADD предлагает для использования в автоматизированных системах управления/контроля AMM (Automated Meter Management) и системах удаленного считывания показаний датчиков типа AMR (Automatic Meter Reading) ряд законченных решений для создания интеллектуальных узлов сети. Среди них системы на кристалле ADD1000B (с поддержкой протокола KNX), ADD1010 (IEC61334-5-2, IEC61334-5-1, IEC61334-4-32, EHS, KNX) и ADD1020/21 (PRIME).
PLC-модем ADD1021 содержит:
– усовершенствованный микроконтроллер 8051 (IP-ядро ADD8051C3A);
– контроллер MAC-уровня (IP-ядро ADD1221);
– контроллер PHY-уровня (IP-ядро ADD1321).
Структурная схема системы на кристалле ADD1021 приведена на рисунке 1 [1]. Для передачи данных в модеме используется OFDM-модуляция в соответствии с требованиями PRIME-спецификаций. Скорость передачи данных — 20…128 Кбит/с; частота поднесущих находится в диапазоне 42…88 кГц; вид модуляции поднесущих — DBPSK, DQPSK или D8PSK. Для шифрования данных (AES 128) на MAC-уровне в IP-ядре ADD1221 реализован аппаратный ускоритель. Напряжение питания микросхемы 3,3 В.
В мае 2009 г. компании Fujitsu Microelectronics Europe GmbH (FME) и Advanced Digital Design S.A. подписали меморандум о совместной разработке и производстве компонентов для PLC-модемов, соответствующих спецификациям PRIME-OFDM. Серийный выпуск микросхем на базе разработанных компанией ADD IP-ядер планируется освоить в первой половине 2010 г. Новые PLC-модемы ориентированы на использование в автоматизированных системах управления/контроля энергопотребления.
Компания iAd GmbH, основная сфера деятельности которой — исследования и разработка в области телекоммуникаций — уже на протяжении 15 лет занимается разработкой PLC-модемов. В ее первых модемах для передачи данных была использована частотная манипуляция (FSK). Столкнувшись со множеством проблем при реализации систем на базе этого вида модуляции, специалисты компании начали разработку модемов с использованием модуляции OFDM. В результате первая микросхема PLC-контроллера была изготовлена в середине 1990-х гг. С 2000 г. началось коммерческое использование для узкополосной передачи данных по электросетям контроллеров PLC-OFDM. В 2005—2006 гг. микросхемы DLC-2C/CA использовались в устройствах автоматизированных систем считывания показаний счетчиков, развернутых для тестирования в Португалии и Болгарии согласно проекту REMPLI (Real-time Energy Management via Powerlines and Internet).
В настоящее время компания iAd GmbH предлагает два набора микросхем для PLC-приложений: DLC-2B/BA и DLC-2C/CA (см. табл. 1) [2, 3].
Таблица 1. Основные параметры ИС DLC-2B/BA и DLC-2C/CA
EN 50065(CENELEC), IEC 61000-3, FCC part 15 subpart B
Диапазон частот, кГц
Скорость передачи данных, Кбит/с
Тип процессора (тактовая частота, МГц)
8-бит CPU-RISC (44-88)
Объем SRAM-памяти (тип процессора), Кбайт
Контроллер прерываний, менеджер электропитания
UART, DMA, сторожевой таймер, таймер реального времени
Виды обработки данных
Кодирование/декодирование (сверточное, 32-CRC, Рида-Соломона), цифровая фильтрация, синхронизация, автоматическая регулировка усиления (АРУ)
RS-232, SRAM, GPIO
Напряжение питания, В
Тип ИС, число выводов и тип корпуса (размеры, мм)
DLC-2B, BGA-256 (17×17×1,8);
DLC-2BA, QFP-64 (13×13×1,2)
DLC-2C, QFP-144 (20×20);
DLC-2CA, QFP-64 (13×13)
Микросхемы предназначены для передачи данных по электросетям высокого, среднего и низкого напряжения в диапазоне частот 9…450 кГц. Значения частот поднесущих и их число выбираются на программном уровне. Скорость передачи данных — 9,6…576 Кбит/с. В полосе CENELEC максимальная скорость передачи — 288 Кбит/с. В каждом из наборов микросхем имеется аналоговая (к примеру, DLC-2BА) и цифровая ИС (DLC-2B). Структурная схема DLC-2B/BA приведена на рисунке 2, структурная схема DLC-2C/CA — на рисунке 3. В цифровой ИС DLC-2C реализован интерфейс для подключения к мощному микроконтроллеру HyNet32XS, созданному на базе 32-разрядного процессорного DSP/RISC-ядра Hyperstone E1-32XS. Микроконтроллер HyNet32XS имеет большой набор встроенных интерфейсов для связи с «внешним миром»: MAC Ethernet (10/100 Мбит/с), CAN 2.0, USB 1.1, UART, IrDA, I2C, ISDN, SDRAM и другие. В цифровой ИС DLC-2B реализована возможность подключения к внешним устройствам, имеющим интерфейс UART, SPI, CAN.
В марте 2009 г. компании Freescale Semiconductor (один из лидеров в производстве интегральных микросхем), а также компании arivus GmbH и iAd GmbH объявили об объединении усилий по разработке и производству интегральных микросхем PLC-модемов следующего поколения с использованием OFDM-модуляции. Новые PLC-модемы будут ориентированы на применение в автоматизированных системах управления/контроля энергопотребления.
Maxim Integrated Products
MAX2990 — однокристальный PLC-модем для узкополосной передачи данных по электросетям, обеспечивающий максимальную скорость передачи до 100 Кбит/с в полосе 10…490 кГц и 32 Кбит/с в полосе 10…95 кГц [5—7]. На физическом уровне в модеме используется OFDM-модуляция. PLC-модем MAX2990 соответствует требованиям стандартов FCC, CENELEC, ARIB и ориентирован на использование в системах автоматического считывания показаний счетчиков, управления уличным освещением, системах вентиляции и кондиционирования, устройствах автоматизации зданий и т.д. Протоколы передачи данных, реализованные в PLC-модеме MAX2990, выполнены в соответствии
со спецификациями PLC G3 Physical Layer Specification (в дальнейшем G3-PLC) [5], которые были разработаны при участии специалистов трех компаний — Maxim Integrated Products, Sagem Communication
и ERDF (Electricité Réseau Distribution France). Компания ERDF, в которой работает почти 36 тыс. сотрудников, является дочерней компанией крупнейшего французского энергетического концерна EdF (Electricité de France). Энергосети этой компании охватывают более чем 95% территории французских городов. Компания обслуживает примерно 1 млн 260 тыс. км линий электропередач и почти 33 млн энергопотребителей. Открытые спецификации G3-PLC ориентированы на использование в разветвленных интеллектуальных сетях (smart grids) учета расхода электроэнергии.
В PLC-модеме MAX2990 реализовано двухуровневое FEC-кодирование с использованием кода Рида-Соломона и сверточных кодов, а также шифрование данных с использованием стандарта AES-128. На MAC-уровне, выполненном в соответствии с рекомендациями стандарта IEEE 802.15.4, поддерживается протокол CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance — множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий) и процедура повторного запроса в автоматическом режиме (Automatic Repeat Request, ARQ). На физическом уровне для модуляции поднесущих применяется модуляция вида BPSK (Binary Phase Shift Key).
В процессе тестирования системы и устройств, построенных на базе спецификаций G3-PLC, специалисты компании ERDF провели сравнительную оценку параметров передачи данных при использовании технологии с модуляцией типа S-FSK и OFDM. Результаты тестирования даны в таблице 2 [6].
Таблица 2. Сравнительные параметры систем с модуляцией типа S-FSK и OFDM
Скорость передачи, бит/с
Частота появления ошибочных кадров (FER), %
Скорость передачи, бит/с
Частота появления ошибочных кадров (FER), %
Электролинии низкого напряжения
Электролинии среднего и низкого напряжения
Электролинии среднего напряжения (протяженность 6,4 км, без использования ретрансляторов)
При оценке качества передачи данных немаловажное значение имеет такой параметр как интенсивность появления ошибочных бит (Bit Error Rate, BER), который, как правило, измеряется при определенном соотношении сигнал/помеха. В то время как в FSK-системах при отношении сигнал/помеха SNR = 12 дБ и скорости передачи 2 Кбит/с частота появления ошибочных битов составляет примерно 0,0001 (один неправильно принятый бит на 10 тыс. переданных), PLC-модем MAX2990 обеспечивает этот уровень BER при SNR = 4 дБ и скорости 32 Кбит/с [6]. Кроме того, для повышения надежности передачи данных в PLC-модеме MAX2990 предусмотрена возможность автоматического переключения на режим пониженной скорости передачи при снижении уровня входного сигнала ниже определенного порога, что позволяет выиграть еще 5 дБ в соотношении сигнал/помеха при тех же значениях BER.
PLC-модем MAX2990 содержит:
– 16-разрядное процессорное RISC-ядро MAXQ;
– флэш-память объемом 32 Кбайт;
– ROM-память — 5,12 Кбайт;
– SRAM-память — 8 Кбайт;
– периферийные контроллеры UART, SPI, I2C, GPIO;
– таймеры общего назначения;
– таймер реального времени;
– контроллер физического уровня (PHY).
Структурная схема модема MAX2990 приведена на рисунке 4 [7]. Микросхема MAX2990 изготавливается в корпусе 64-LQFP и предназначена для работы в диапазоне температур –40…85°C.
STMicroelectronics
Компания STMicroelectronics — один из пионеров PLC-рынка — еще в начале 1990-х гг. освоила производство ИС для передачи данных по электросетям. В первых микросхемах ST7537/ST7538, а затем и ST7540, ориентированных на использование в PLC-сетях с узкополосной передачей данных, для кодирования использовалась частотная манипуляция (FSK), а скорость передачи данных составляла 300…4800 бит/с. В настоящее время микросхемы ST7538/7540 используются во многих электросчетчиках, выпускаемых по всему миру, а также системах удаленного считывания типа AMR. Эти микросхемы нашли применение, например, в итальянских системах Enel Telegestore и ACEA, системе удаленного считывания, развернутой в компании China National Petroleum (Китай), а также в других интеллектуальных системах типа AMR, разбросанных по всему миру, в т.ч. в Южной Америке и Африке [8]. Вместе с тем, на смену проверенным на практике недорогим решениям в последнее время приходят новые устройства и технологии, обеспечивающие высокоскоростную и надежную передачу данных. Применение усовершенствованных технологий, основанных на открытых спецификациях, позволяет реализовать сетевой сервис на более высоком уровне.
Постепенное вытеснение с рынка устаревающих PLC-технологий происходит, возможно, и не столь быстро, но достаточно уверенно. Для того чтобы обеспечить быстрейшее продвижение на PLC-рынок новых решений и долгий срок службы, а также возможность их успешного применения во вновь развертываемых интеллектуальных сетях, они должны отличаться гибкостью и универсальностью. С учетом разнообразия видов используемой модуляции и неопределенности с принятием единого стандарта архитектура вновь создаваемых модемов должна легко адаптироваться как к требованиям существующих стандартов, так и новоиспеченных PLC-спецификаций. Отчетливо понимая это, компания STMicroelectronics предприняла попытку разработать универсальную платформу для реализации семейства ИС PLC-модемов, предназначенных для использования как в уже существующих и реконструируемых, так и во вновь развертываемых сетях.
В сентябре 2009 г. компания представила три ИС (ST7570/80/90), созданные на базе единой аппаратной платформы STarGRID™. В настоящее время в существующих сетях типа AMR/AMI/AMM используется несколько типов ИС PLC-модемов, в которых поддерживается только один из стандартизированных видов модуляции и один из существующих протоколов передачи данных, что, безусловно, снижает их стоимость и делает их коммерчески привлекательными. В более универсальных и, соответственно, более дорогих решениях в качестве вычислительного ядра используется DSP-процессор и дополнительные компоненты для реализации аналогового интерфейса и драйверов линии, что увеличивает и потребляемую мощность.
В PLC-системе на кристалле STarGRID содержится вычислительное ядро 8051, предназначенное для реализации стека протоколов передачи данных, и DSP-ядро, используемое в процессе модуляции сигнала в соответствии с требованиями спецификаций физического уровня (по сути, для поддержки разных видов модуляции). Кроме того, на кристалле имеются аналоговый интерфейс (AFE), фильтры и драйверы линии, реализованные с помощью усовершенствованной интегральной технологии.
Ядром собственно PLC-модема является DSP-процессор. В его программной памяти типа ROM хранятся коды программ для разных видов модуляции, предусмотренных существующими спецификациями физического уровня, а также цифровой фильтрации. В случае применения высокоскоростных видов модуляции (OFDM) используется аппаратный ускоритель.
Для реализации стека протоколов используется стандартное процессорное ядро 8051 совместно со встроенной памятью программ и данных типа ROM и RAM. Кроме того, предусмотрена возможность подключения внешней флэш-памяти для хранения программного кода как пользовательских приложений, так и кода протоколов передачи данных в случае их модификации с течением времени или в процессе эксплуатации.
Связь с хост-процессором осуществляется через интерфейс UART или SPI. Для ядра 8051 доступен также интерфейс I2C и порты ввода/вывода (GPIO).
В модуле аналогового интерфейса содержится малошумящий усилитель с программируемым коэффициентом усиления, система автоматической регулировки усиления (АРУ), сигма-дельта АЦП и ЦАП с программируемым усилением и улучшенной передаточной характеристикой.
Кроме того, в ИС семейства STarGRID имеется встроенный высококачественный выходной усилитель мощности с линейной передаточной характеристикой, разработанный по специальной технологии, что позволило уменьшить его размеры на кристалле. Наличие встроенных усилителя и программируемых фильтров позволяет уменьшить размеры модемного модуля за счет отказа от внешних катушек индуктивности и конденсаторов. Максимальный выходной ток усилителя мощности составляет 1 А, выходное напряжение — 14 В (от пика до пика), что обеспечивает его надежную работу при изменении сопротивления нагрузки линии. ИС семейства STarGRID соответствуют жестким ограничениям, регламентируемым набором стандартов CENELEC. В этих стандартах оговариваются не только уровень паразитных кондуктивных помех (EN50065-1), но и допустимые изменения сопротивления нагрузки (EN50065-7) и требования по устойчивости к воздействию кондуктивных помех в линии (EN50065-2-1).
Встроенный температурный датчик и система контроля/управления выходным током драйвера обеспечивают надежную работу усилителя мощности в пределах максимально допустимых параметров.
Наличие аппаратного ускорителя для шифрования данных (AES 128), возможность оценки качества канала связи в соответствии с измеренным соотношением сигнал/помеха и сопротивлением линии увеличивают производительность и надежность систем, построенных на базе ИС STarGRID.
Новые микросхемы PLC-модемов предназначены для передачи данных по электрическим сетям низкого напряжения и соответствуют требованиям стандартов EN50065 (CENELEC) и FCC part 15. Реализованные в этих микросхемах протоколы передачи данных совместимы со спецификациями IEC61334-5-1, PRIME, SITRED и др. Микросхемы изготовлены с использованием технологии 0,18 мкм. Основные параметры PLC-модемов семейства ST75xx даны в таблице 3, структурная схема приведена на рисунке 5.
Powerline | TelLink PLC
PLC модем является основным продуктом производства компании TelLink PLC | ООО ТЕЛЛИНК. Мы проектируем, разрабатываем и производим модемы и сопутствующее оборудование для электросчетчиков, светодиодных светильников, телеметрии, телеуправления, телемеханики.
Телекоммуникационная технология PLC базируется на использовании силовых электросетей для высокоскоростного обмена данными.
Главным направлением компании является разработка и производство PLC модемов и Устройств Присоединения к электросетям низкого, среднего и высокого напряжения: 0,4 кВ, 6 – 110 кВ.
Разработанная и выпускаемая нами продукция успешно конкурирует с продукцией ведущих мировых производителей, а по некоторым параметрам превосходит их.
Мы предлагаем широкополосное и узкополосное PLC оборудование.
- Широкополосное оборудование для обмена данными со скоростью до 100 Мбит/с на расстоянии до 1 км и до 10 Мбит/с на расстоянии до 20 км.
- Узкополосное оборудование для обмена данными со скоростью до 600 Кбит/с на расстояниях до 100 и более километров.
См. продукцию для широкополосной передачи на странице PLC модемы 200 серии.
См. продукцию для узкополосной передачи на странице PLC модемы 300 серии.