Способ получения спектральных пустот при передаче сигналов по электрической сети

009705 Область техники Настоящее изобретение относится к способу получения спектральных пустот при передаче сигналов по электрической сети. Под спектральной пустотой понимается интервал частот, в котором плотность передаваемой мощности меньше определенной требуемой величины. Данный способ особо важен при создании и использовании системы передачи по электрической сети, поскольку он позволяет адаптировать мощность передаваемого сигнала к различным частотам и, тем самым, к требованиям, установленным действующими в различных странах правилами передачи сигналов по электрической сети с использованием соответствующих спектральных пустот, определенных такими правилами. Тем самым,исключаются помехи лицензированным услугам (работам служб), предоставление которых осуществляется в той же полосе частот, что и передача сигнала по электрической сети. Уровень техники Электрическая сеть, как низкого напряжения, так и среднего напряжения, является средством связи,изначально не рассчитанным на передачу сигналов дальней связи. Она является незащищенным средством, в котором передаваемый сигнал в процессе распространения может создавать помехи другим системам, использующим те же частоты. Речь идет о радиолюбительской связи и других услугах радиосвязи, включая радионавигацию, аварийные службы и т.д. В этом случае мешающий сигнал низкого уровня способен нарушить связь и, соответственно, очень важно избегать передачи мощных сигналов на данных частотах. Именно по этой причине действующие во многих странах правила налагают ограничения на спектральную плотность мощности (сигнала), которая может быть передана на определенных частотах, поэтому в соответствии с правилами для передачи сигналов по электрической сети необходимы глубокие спектральные пустоты. Предложенный в изобретении способ позволяет с максимальной эффективностью создавать спектральные пустоты большой глубины, перекрывающие строго необходимую полосу частот. В данном способе обеспечивается эффективная адаптация передаваемого сигнала к определенным моделям мощности, установленным упомянутыми правовыми нормами. Данные модели мощности обычно определяют как интервалы частот, в которых передача мощности строго ограничена (например,на 30 дБ меньше остальных частот) или даже запрещена. Тем не менее, ввиду технологических ограничений невозможно обеспечить немедленный переход от одной полосы частот с определенной спектральной плотностью мощности к другой полосе частот с отличающейся спектральной плотностью мощности,из-за чего невозможно резко исключить сигнал, переданный в определенном интервале частот, без снижения мощности несущих, соседних по отношению к спектральным пустотам. За счет предложенного в изобретении способа такое снижение может эффективно осуществляться путем максимального уменьшения числа соседних по отношению к спектральной пустоте несущих, затронутых созданием такой спектральной пустоты. С другой стороны, концепции обработки методом окна, а именно методом окна с "приподнятым косинусом" (risen cosine window) не являются предметом изобретения, а известны из уровня техники. Например, ссылки на них можно найти в таких работах по телекоммуникациям, как "DigitalRichard Van Nee и Ramjee Prasad, изд-во Artech House Publishers). В первом из упомянутых источников указано, что окно с приподнятым косинусом используется для синтеза ограниченных сигналов в полосе(во избежание взаимных помех между символами), а в последней работе говорится, что обработку методом окна применительно к отдельным ОЧУ-символам используют при уменьшении спектра сигнала вне полосы. Новизна предложенного в изобретении способа заключается в том, что в полосе частот эффективно создают спектральные пустоты глубиной свыше 30 дБ путем регулирования мощности, переданной на определенных несущих, обработки ОЧУ-символов с циклическим префиксом методом окна и использования соответствующих значений для числа активных несущих и размера обратного дискретного преобразования Фурье, к чему невозможно прийти исходя из уровня техники, предшествующего настоящему изобретению. Описание изобретения Для решения задач изобретения и устранения недостатков уровня техники, упомянутых выше,предложен способ получения спектральных пустот при передаче сигналов по электрической сети, заключающийся в том, что сигналы передают методом ортогонального частотного уплотнения (ОЧУ), называемого также мультиплексированием с ортогональным делением частот (OFDM, от англ. "orthogonalfrequency-division multiplexing"), при этом узлы связи имеют передатчик, средство добавления циклического префикса и средства частотно-временного преобразования ОЧУ-символов. Способ отличается тем, что в нем избирательно регулируют мощность одной или нескольких несущих ОЧУ-сигнала путем ослабления или исключения таких несущих с использованием обратного дискретного преобразования Фурье для преобразования сигнала из частотной области во временную область, при этом число точек может избирательно превышать или быть равным 1024, если обратное дискретное преобразование Фурье является комплексным, или превышать или быть равным 2048, если об-1 009705 ратное дискретное преобразование Фурье является вещественным, а после добавления циклического префикса ОЧУ-символы во временной области умножают на окно. За счет этого получают глубокие спектральные пустоты глубиной 20 дБ, что является значительным преимуществом, поскольку позволяет при передаче сигнала не создавать помех другим лицензированным услугам, использующим те же полосы частот, что и сигнал, передаваемый по электрической сети. Аналогичным образом предложенный в изобретении способ позволяет регулировать выбранную для передачи сигнала спектральную плотность мощности за счет введения спектральных пустот в полосу частот. В одном из вариантов осуществления изобретения в качестве окна используется окно с приподнятым косинусом. Данное окно выбрано с учетом его плоской поверхности во времени и спектральных характеристик. В другом варианте осуществления изобретения данное окно с приподнятым косинусом, которое можно задать при помощи коэффициента избирательности, имеет коэффициент избирательности менее или равный 0,2. Кроме того, размер окна в пересчете на число выборок превышает или равен 2048, при этом данные выборки представляют собой дискретные выборки, предшествующие цифроаналоговому преобразователю (ЦАП) передатчика. В тоже время, число несущих, мощность которых регулируется, зависит от ситуации, ширины и глубины спектральных пустот и формы окна, выбранного для осуществления способа. Для того чтобы получить спектральную пустоту соответствующей глубины, регулируют мощность несущих, расположенных в спектральной пустоте, и число соседних с ними несущих. Чем быстрее боковые лепестки частотного представления выбранного коэффициента избирательности окна, тем меньше число соседних несущих, мощность которых необходимо регулировать, чтобы добиться требуемой ширины и глубины спектральной пустоты. Для регулирования мощности соответствующих несущих могут применяться различные способы с возможностью их сочетания. Регулирование может осуществляться посредством постепенного ослабления, чтобы основной лепесток передаваемого сигнала на несущих в спектральной пустоте или боковые лепестки передаваемого сигнала, если это соседние несущие, были меньше спектральной плотности мощности, необходимой для передаваемого сигнала. Другой способ регулирования заключается в прямом исключении затронутых несущих, когда на несущих, мощность которых требуется регулировать, не осуществляют передачу мощности, в результате чего несущие, расположенные в спектральной пустоте, исключаются вместе с несколькими соседними несущими, число которых достаточно, чтобы спектральная плотность мощности была меньше, чем спектральная плотность мощности, необходимая для сигнала, передаваемого в спектральной пустоте. Оба способа регулирования могут применяться на соответствующих несущих независимо или в сочетании с возможностью исключения определенных несущих и ослабления других несущих. Краткое описание чертежей Для того чтобы облегчить понимание описания изобретения, к нему приложены чертежи, которые являются его неотъемлемой частью и на которых в качестве иллюстрации представлено: фиг. 1 - пример спектральной плотности мощности, которая установлена правилами при передаче сигналов в полосе от 2 до 30 дБ с целью защиты услуг, разрешенных для передачи на данных частотах; фиг. 2 - пример окна, которое может использоваться в предложенном в изобретении способе; фиг. 3 - блок-схема обработки дискретизированного сигнала методом окна; фиг. 4 - различные стандартные по времени и частоте окна; фиг. 5 - окна с приподнятым косинусом с различными коэффициентами избирательности (В) по времени и частоте; фиг. 6 - блок-схема способа создания спектральных пустот при передаче; фиг. 7 - окна, используемые в примере получения спектральной пустоты глубиной 30 дБ. Описание вариантов осуществления изобретения Далее описан пример осуществления изобретения со ссылкой на ссылочные номера, указанные на чертежах. Одна из основных проблем при передаче сигналов и проектировании систем связи по электрической сети заключается в том, что средство передачи не экранировано и часть передаваемого по электрической сети сигнала передается во внешнюю среду, что может создавать помехи лицензированным системам, использующим диапазон частот, перекрываемый диапазоном частот передаваемого сигнала. Для того чтобы ослабить помехи, во многих странах установлены правила, регламентирующие максимальную спектральную плотность мощности, которая может быть передана или подана по электрической сети. К сожалению, данные правила различаются в каждой стране, в связи с чем необходимо создавать резкие спектральные пустоты в спектре с возможностью их регулирования во избежание осуществления передачи на определенных частотах в зависимости от страны. На фиг. 1 проиллюстрирован соответствующий пример спектральной плотности мощности, которая необходима для передачи сигналов в полосе от 2 до 30 МГц. Показано, что существует множество спектральных пустот, которые необходимо учитывать при передаче в данной полосе частот.-2 009705 Предложенный в изобретении способ позволяет эффективно создавать данные спектральные пустоты при передаче сигнала и, тем самым, при любых обстоятельствах устанавливать соответствующую спектральную плотность. Как указано выше, в предложенном в изобретении способе используется известная из уровня техники концепция обработки методом окна. К сожалению, в зависимости от выбранного технического источника данная концепция может интерпретироваться так или иначе, в связи с чем перед тем как привести пример осуществления предложенного в изобретении способа, рассмотрим используемый в нем критерий определения "окна". Обработка цифрового сигнала методом окна заключается в том, что умножают выборки сигнала на окно. Данное окно представляет собой другой цифровой сигнал, который обычно включает набор соседних выборок, отличающихся от ноля. Пример окна с центром в выборке 0 показан на фиг. 2. После того, как выбрано окно для осуществления способа, необходимо произвести обработку методом окна. Обработка сигнала методом окна показана на фиг. 3. В данном случае ее осуществляют путем умножения (позиция 1) выборок сигнала на выборки окна (для чего окно необходимо переместить в соответствующее положение, отличающееся от выборки 0). Обработка сигнала методом окна (умножение временной области) влияет на сигнал во временной области. Данную зависимость можно наблюдать на примере теоремы модуляции или обработки методом окна Данная теорема показывает, что умножение во временной области приводит к периодической свертке формы окна в частотной области. Боковые лепестки окна в частотной области определяют форму частоты выходного сигнала y[n]. На фиг. 4 показана известная из уровня техники форма некоторых стандартных окон во временной и частотной областях (треугольное, бартлетовское и чебышевское). В частности, показано, что форма окна определяет боковые лепестки частотной характеристики. Например,частотная характеристика Чебышева остается постоянной (в боковых лепестках), тогда как частотная характеристика Бартлета нарастает в начальных боковых лепестках, но очень быстро спадает в последующих лепестках. Применительно к описанному примеру осуществления предпочтительным окном является окно с приподнятым косинусом. Ниже приведена формула окна с приподнятым косинусом с центром в выборке 0 в которой N означает размер окна, выраженный величинами ширины окна (v[n]) более 0,5;означает коэффициент избирательности. В целом, окно с приподнятым косинусом может быть охарактеризовано данным коэффициентом избирательности . Этот коэффициент всегда находится в пределах от 0 до 1 и является показателем избыточности передаваемого сигнала. Чем выше коэффициент избирательности, тем более пологим является спад, что проиллюстрировано на фиг. 5. На фиг. 5 показано несколько окон с приподнятым косинусом по времени и частоте и их зависимость от коэффициента избирательности . Если коэффициент избирательности достигает 0, окно превращается в прямоугольное окно с боковыми лепестками, которые имеют очень высокую частоту. При увеличении коэффициента избирательности за счет принесения в жертву эффективности уменьшается число приподнятых боковых лепестков. Данное снижение эффективности объясняется тем фактом, что увеличивается размер окна (если избыточность вычисляется как N). В тоже время, если используется слишком низкий коэффициент избирательности, снижение эффективности происходит,поскольку боковые лепестки недостаточно спадают, и в этом случае требуется увеличить число соседних по отношению к спектральным пустотам несущих, мощность которых должна быть отрегулирована. Способ повышения эффективности и поддержания коэффициента избирательности заключается в увеличении числа несущих ОЧУ-сигнала. Число соседних несущих, мощность которых необходимо регулировать для создания спектральной пустоты, не будет меняться по сравнению с предыдущим случаем,но, поскольку общее число несущих увеличено, снижение эффективности в процентном выражении является меньшим. По этой причине способ применим при наличии не менее определенного числа несущих обратного дискретного преобразования Фурье. При планировании передачи сигналов по электрической сети было вычислено, что для обеспечения высокой эффективности коэффициент избирательности должен быть менее 0,2. Аналогичным образом число выборок окна должно превышать 2048. В данном конкретном примере осуществления изобретения используется коэффициент избирательности 0,15, коэффициент избирательности 0,05 и 2600 выборок.-3 009705 Для того чтобы осуществить предложенный в изобретении способ применительно к передаваемому сигналу (после того, как выбрано окно), используется блок-схема, подобная показанной на фиг. 6. В частности, показано, что на каждой несущей ОЧУ-сигнала передаваемый сигнал поступает в блок 2, в котором регулируется мощность соответствующих несущих с целью создания необходимых спектральных пустот. Осуществляется регулирование мощности главным образом несущих, расположенных в спектральной пустоте, и соседних несущих. Чем выше коэффициент избирательности боковых лепестков в выбранном окне с приподнятым косинусом, тем меньше число соседних несущих должно быть затронуто, чтобы получить спектральную пустоту. Затем в блоке 3 согласно рассматриваемому примеру осуществления происходит комплексное обратное быстрое преобразование Фурье, которое обычно используется для реализации обратного дискретного преобразования Фурье с ОЧУ-модуляциями. После этого в блоке 4 осуществляется вставка циклического префикса, генерированного блоком 5, и блок 6 умножает цифровой сигнал во временной области на окно, генерированное блоком 7. Для эффективного создания спектральной пустоты необходимо использовать ОЧУ с множеством несущих и обратное быстрое преобразование Фурье с большим числом точек. В данном примере осуществления используется комплексное 1024-точечное обратное быстрое преобразование Фурье. Наконец, несмотря на то, что данный блок не показан на фиг. 6, перед передачей цифровой сигнал при помощи ЦАП преобразуют в аналоговый сигнал. Для обеспечения резких спектральных пустот недостаточно ослабления или исключения несущих,расположенных на частотах внутри спектральной пустоты. Это объясняется тем фактом, что за счет боковых лепестков соседних несущих сохраняется мощность, которая в значительной степени создается в результате переходов ОЧУ-сигнала, достигающих спектральной области, в которой должна находиться спектральная пустота. Чтобы избежать этого, необходимо регулировать мощность или также исключить некоторое число несущих, расположенных по соседству с несущими, находящимися в положениях на концах спектральной пустоты. Эта задача решается при помощи блока 2, показанного на фиг. 6. В зависимости от формы окна с приподнятым косинусом, генерированного блоком 7, увеличивается или уменьшается число соседних несущих, мощность которых необходимо изменить, в связи с чем оба блока являются взаимосвязанными. На фиг. 7 проиллюстрирована форма двух окон с приподнятым косинусом, параметры которых выбраны для данного примера осуществления (коэффициент избирательности 0,15 и коэффициент избирательности 0,05 и число выборок 2600). В данном случае, если, например, необходимо получить спектральную пустоту глубиной 30 дБ, при использовании предложенного в изобретении способа с одним окном с приподнятым косинусом и коэффициентом избирательности 0,15 потребовалось бы регулировать мощность 4 соседних несущих, и мощность 7 соседних несущих при коэффициенте избирательности 0,05. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения спектральных пустот при передаче сигналов по электрической сети, включающий передачу сигналов путем ортогонального частотного уплотнения (ОЧУ) и использование узлов связи, имеющих передатчик, средство добавления циклического префикса и средства частотновременного преобразования ОЧУ-символов, согласно которому регулируют мощность одной или нескольких несущих ОЧУ-сигнала методом, выбранным из числа ослабления и исключения данных несущих; осуществляют обратное дискретное преобразование Фурье для преобразования сигнала из частотной области во временную область, при этом число точек составляет по меньшей мере 1024, если обратное дискретное преобразование Фурье является комплексным, или по меньшей мере 2048, если обратное дискретное преобразование Фурье является вещественным; добавляют циклический префикс и затем умножают ОЧУ-символы во временной области на окно,в результате чего обеспечиваются резкие спектральные пустоты глубиной свыше 30 дБ без помех другим лицензированным услугам, использующим те же полосы частот, или соответствие спектральной плотности мощности, требуемой для передачи сигнала, или их сочетания. 2. Способ по п.1, в котором окно, используемое для получения резких спектральных пустот, представляет собой окно с приподнятым косинусом. 3. Способ по п.2, в котором окно с приподнятым косинусом имеет максимальный коэффициент избирательности 0,2. 4. Способ по п.1, в котором число выборок в окне составляет по меньшей мере 2048, при этом выборки представляют собой дискретные выборки, предшествующие цифроаналоговому преобразователю передатчика. 5. Способ по п.1, в котором число несущих, мощность которых регулируют, зависит от положения,ширины и глубины спектральных пустот и формы окна и при этом для получения спектральной пустоты регулируют мощность несущих, расположенных в спектральной пустоте, а также мощность соседних с ними несущих, которая тем ниже, чем быстрее спадают боковые лепестки окна, используемого для передачи.-4 009705 6. Способ по п.1, в котором регулирование мощности несущих осуществляют путем постепенного ослабления лепестка, выбранного из группы, включающей основной лепесток сигнала, передаваемого на несущих в спектральной пустоте, и боковые лепестки сигналов, передаваемых на соседних несущих,обеспечивая при этом мощность меньше спектральной плотности мощности, необходимой для сигнала,передаваемого в спектральной пустоте. 7. Способ по п.1, в котором регулирование мощности несущих осуществляют путем исключения несущих, которое заключается в том, что на несущей, мощность которой необходимо регулировать, не осуществляют передачу мощности, чтобы исключить несущие, расположенные в спектральной пустоте,и достаточное число соседних несущих с обеспечением спектральной плотности регулируемой мощности меньше спектральной плотности мощности, необходимой для сигнала, передаваемого в спектральной пустоте. 8. Способ по п.6 или 7, в котором регулирование несущих осуществляют методом, выбранным из группы, включающей постепенное ослабление, исключение и их сочетания.