HomePlug-sähköverkkomodeemit ja niiden toiminnan testaus laboratorioympäristössä

Transkriptio

1 Lappeenrannan teknillinen yliopisto Sähkötekniikan osasto Teollisuuselektroniikan laitos Digitaali- ja tietokonetekniikan laboratorio HomePlug-sähköverkkomodeemit ja niiden toiminnan testaus laboratorioympäristössä Raportti Antti Kosonen

2 1 SISÄLLYSLUETTELO KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET... 2 JOHDANTO Tarvittavat ohjelmat Mittauksien suoritus Mittauksien suorituspaikat TIEDONSIIRTO SÄHKÖVERKOSSA Mahdolliset verkkotopologiat HomePlug-modeemeilla STANDARDIT HomePlug HomePlug 1.0:n PHY-kerros eli fyysinen kerros HomePlug 1.0:n MAC-kerros HomePlug 1.0:n ominaisuudet teoriassa Intellon PowerPacket MODULOINTITEKNIIKAT SÄHKÖVERKOSSA ASK FSK PSK QAM OFDM-monikantoaaltotekniikka Toiminta TIEDONSIIRTONOPEUSMITTAUKSET Mittausten toteutus Johtopäätökset tiedonsiirtonopeusmittauksista SÄHKÖVERKKOMODEEMEILLE TEHDYT MITTAUKSET Mittausrajapinta Mittausrajapinnan simulointi Oskilloskoopilla tehtyjä mittauksia Matkan vaikutus tiedonsiirtonopeuteen LIITYNTÄRAJAPINTA Sähköverkkomodeemien modifiointi Testiympäristön mallinnus LÄHDELUETTELO LIITE I Testikäytössä olleen sähköverkon topologia II Tiedonsiirtonopeuden mittaustulokset III Kaapelimittaustulokset

3 2 KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET b i datavektori b i käänteinen datavektori d () t digitaalinen bittivirta f f taajuus [Hz] alakanavien kaistanleveys f c kantoaallon taajuus f c () t kantoaallon taajuus ajan funktiona i indeksi k käytettävien kantoaaltojen määrä s () t kantoaaltosignaali s ASK () t ASK-modulaation kantoaaltosignaali s FSK () t FSK-modulaation kantoaaltosignaali s PSK () t PSK-modulaation kantoaaltosignaali s QAM () t QAM-modulaation kantoaaltosignaali t aika [s] A ( f ) vahvistus taajuuden funktiona A c kantoaallon amplitudi A c () t kantoaallon amplitudi ajan funktiona B kok kokonaiskaistanleveys C kapasitanssi [F] E signaalin energia G () s siirtofunktio H ( f ) vastaanotetun ja lähetetyn signaalin amplitudin suhde taajuuden funktiona I L N P P n virta [A] induktanssi [H] Fourier-muunnoksen pistemäärä teho [W] häiriöteho

4 3 P s R SNR T T b U U n U s Z in signaalin teho resistanssi [Ω] signaali-kohinasuhde (Signal-To-Noise Ratio) jaksonaika bitin kestoaika jännite [V] häiriöjännite signaalin jännite tuloimpedanssi ϕ vaihekulma [ ] ϕ c c () t kantoaallon vaihekulma ϕ kantoaallon vaihekulma ajan funktiona ADSL APK ASIC ASK BPSK CENELEC CIFS CSMA/CA DAB DBPSK DQPSK DVB EFG FCC FCS FFT FSK Asymmetric Digital Subscriber Loop Amplitude Phase Keying Application Specific Integrated Circuit Amplitude Shift Keying Binary Phase Shift Keying European Committee for Electrotechnical Standardization Contention window Interframe Spacing Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Digital Audio Broadcasting Differential Binary Phase Shift Keying Differential Quadrature Phase Shift Keying Digital Video Broadcasting End of Frame Gap Federal Communications Commission Frame Check Sequence Fast Fourier Transform Frequency Shift Keying

5 4 FTP IFFT IP MAC NAC OFDM PHY PLC PLL PSK QAM QPSK RIFS ROBO TCP WLAN File Transfer Protocol Inverse Fast Fourier Transform Internet Protocol Medium Access Control Network Administration Console Orthogonal Frequency Division Multiplexing Physical Layer Power Line Communication Phase-Locked Loop Phase Shift Keying Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase Shift Keying Response Interframe Spacing Robust OFDM Transport Control Protocol Wireless Local Area Network

6 5 JOHDANTO Tässä työssä tutkittiin tiedonsiirtoa sähköverkossa, erityisesti tehdasympäristön kaltaisessa sähköverkossa. Mittauksissa käytettiin kahta Phonex Broadband-yhtiön valmistamaa NeverWire 14 -sähköverkkomodeemia, jotka perustuvat Homeplug 1.0 standardiin. Ne käyttävät Intellonin valmistamaa PowerPacket ASIC-piiriä. Sähköverkkomodeemien tiedonsiirtonopeuksia tutkittiin erilaisissa sähköverkoissa ja ympäristöissä. Näistä tehtiin myös muutamia mittauksia. Lisäksi selvitettiin modeemeissa käytetyn liityntärajapinnan ominaisuuksia. 1.1 Tarvittavat ohjelmat Tiedonsiirtonopeusmittauksissa käytettiin Phonex:n valmistamaa ohjelmaa. Phonex NAC (Network Administration Console) -ohjelman sai ladattua valmistajan kotisivuilta ilmaiseksi. Osoite sivulle löytyy lähteestä /9/. Kuvassa 1.1 on esitetty Phonex NAC-ohjelma. Siinä nähdään kaksi sähköverkosta tunnistettua modeemia.

7 6 Kuva 1.1. Phonex NAC-ohjelma. Ohjelma on tunnistanut kaksi sähköverkkomodeemia. Tunnistamisen jälkeen on mahdollista suorittaa tiedonsiirtonopeustesti valitsemalla molemmat modeemit aktiivisiksi. Valitseminen onnistuu hiiren vasemmalla painikkeella, kun samaan aikaan pitää Alt-näppäintä aktiivisena. Ohjelma käyttää Java virtuaalikonetta 1.4.1, mutta ohjelman sai asennettua ilman sitäkin eli Windows:n oma virtuaalikone nähtävästi riittää. Mutta jos haluaa ladata Javan virtuaalikoneen, niin senkin saa ilmaiseksi Javan kotisivuilta. Osoite löytyy lähteestä /10/. Tosin lähteestä löytyvän ohjelman versio on uudempi (1.4.2), mutta se ei luultavasti haittaa. Vanhemman version löytää myös Javan kotisivuilta pienen etsiskelyn jälkeen. 1.2 Mittauksien suoritus Ennen ohjelman (Phonex NAC) käyttöönottoa täytyi määritellä IP-osoitteet. Selkeät ohjeet IP-asetusten tekemiseen löytyi ohjelman mukana tulevasta PDF-oppaasta. Asetusten tekemisen jälkeen pystyttiin aloittamaan mittaukset. Mittaukset suoritettiin kuvan 1.2 mukaisesti. Kuva 1.2. Mittauksissa käytetty kytkentä. Kuvasta nähdään, että mittauksissa käytettiin vain yhtä kannettavaa tietokonetta. Yksi tietokone riitti aivan hyvin, koska sillä pystyttiin suorittamaan tiedonsiirtonopeusmittaukset molempiin suuntiin. Toinen sähköverkkomodeemeista kytkettiin tietokoneen verkkokorttiin verkkokaapelilla. Tiedonsiirtonopeus testattiin kanavan molempiin suuntiin. Ohjelmassa pystyi valitsemaan lähetettävien pakettien määrän. Tässä tapauksessa pakettien määräksi

8 7 valittiin 10000, koska tällöin tiedonsiirtonopeus oli suhteellisen nopea (noin 10 s yhteen suuntaan) mitata, mutta lähetys kesti kuitenkin riittävän pitkään luotettavien tulosten aikaansaamiseksi. Ohjelma kertoi tiedonsiirtonopeuden hetkellisen, keski- ja maksimiarvon sekä virheiden hetkellisen, keski- ja maksimiarvon. Mittauksissa kirjattiin tiedonsiirtonopeuksien ja virheiden keski- ja maksimiarvot muistiin. Virheellisiä lähetyksiä tosin tapahtui melko harvoin, joten niistä on maininta mittaustuloksissa erikseen. 1.3 Mittauksien suorituspaikat Tiedonsiirtonopeusmittauksia tehtiin Energiatekniikan osaston alimmaisessa kerroksessa sijaitsevissa laboratorioissa, koska ne kuvasivat parhaiten teollisuusympäristöä. Mittauksia tehtiin sähkökonehallissa, sulautettujen laboratorioiden alakerrassa, ABB-luokassa ja kevyessä sähkökonelaboratoriossa. Sähköverkon rakennetta selvitettiin tilojen sähköpiirustuksien avulla. Piirustuksien perusteella arvioitiin jako- ja pistorasiakeskuksien väliset etäisyydet. Piirustuksista selvitettiin myös keskuksien väliset kaapeloinnit. Liitteessä I on esitetty sähköverkon topologia. Liitteeseen I on otettu mukaan ainoastaan ne ympäristöt, joissa mittauksia tehtiin. Liitteessä I on ensiksi kuva sähköverkon osasta aivan päämuuntajalta lähtien ja seuraavilla sivuilla on erikseen esitetty eri jakokeskuksien rakenne, joista selviää niiden sisältämät pistorasiakeskukset. Kuviin on merkitty kaapelityypit ja arvioidut etäisyydet. 2 TIEDONSIIRTO SÄHKÖVERKOSSA Kasvanut tiedonsiirron tarve on aiheuttanut uusien tiedonsiirtomenetelmien kehittämisen. Uusien menetelmien vaatimuksina on ollut asennuksen helppous ja edullisuus. Uusien kaapeleiden asennus on kallista ja aikaa vievää työtä. Siksi lähtökohtana onkin ollut, ettei uusia kaapeleita tarvitsisi asentaa. Tällaisia vaatimuksia täyttäviä ratkaisuja ei löydy monia. Ensimmäinen mahdollisuus olisi käyttää langattomia verkkoja ja toinen hyödyntää kiinteistön jo olemassa olevaa sähköverkkoa. HomePlug-tuotteet on nimenomaan suunniteltu muodostamaan laajakaistainen verkko kiinteistön sisäiseen sähköverkkoon. Sähköverkossa tapahtuvan tiedonsiirron kilpailevana tekniikkana on tällä hetkellä WLAN. Näitä kahta tekniikkaa on vertailtu keskenään ja niistä on esitetty testitulokset lähteessä /8/. Testien perusteella HomePlug tarjosi varmemman tiedonsiirtoverkon asuinneliöistä riippumatta verrattuna WLAN:iin.

9 8 Nykyisin sähköverkko kattaa lähes 100 prosenttisesti asuinkiinteistöt, joten uusien kaapeleiden asennusta ei tarvitse ottaa huomioon. Sähköverkko tarjoaa monia haasteita, sillä se on suunniteltu sähkönsiirtoon ja siellä esiintyy paljon häiriöitä verrattuna tiedonsiirtokaapeleihin. Sähköverkon topologia on myös erilainen. Häiriöitä aiheuttavat mm. halogeenilamput, mikroaaltouunit ym. kodinkoneet. Sähköverkko ei ole kontrolloitu ja sen ominaisuudet muuttuvat ajan suhteen, sillä laitteita kytketään päälle ja pois satunnaisesti. Laitteet, jotka vaativat toimiakseen transistorien nopeaa kytkemistä, ovat juuri hankalimpia tiedonsiirron kannalta, sillä ne aiheuttavat verkkoon impulssimaisia häiriöitä. Lisäksi sähköverkkomodeemien lähetystehot eivät saa olla liian suuria, sillä ne toimivat samoilla taajuuksilla kuin amatööriradiot. Tämä ongelma on ratkaistu monissa sähköverkkomodeemeissa pienentämällä tehoa juuri radioamatööritaajuuksilla tai jättämällä kokonaan käyttämättä radioamatöörikaistoja. 2.1 Mahdolliset verkkotopologiat HomePlug-modeemeilla Sähköverkkomodeemeja voidaan käyttää todella monella eri tavalla. Kuvassa 2.1 on esitetty erilaisia mahdollisuuksia sähköverkkomodeemeilla toteutettaviin verkkoihin. Kuvassa on esitetty lähinnä omakotitalouksissa toteutettavia mahdollisia verkkoja. Tietokoneet on kytketty verkkoon modeemien avulla. Verkossa on ainoastaan yksi tulostin, jota voidaan ohjata jokaiselta tietokoneelta erikseen. Internet toimii kaapelimodeemilla, joka myös on jaettu jokaiselle tietokoneelle sähköverkkomodeemin avulla. Internetyhteys saadaan muodostettua laittamalla yksi sähköverkkomodeemi keskukseksi, jolloin muut pystyvät muodostamaan yhteyden tätä kautta. Sähköverkkomodeemeissa on tätä tarkoitusta varten hub/pc-moodi. Hub-moodi laitetaan päälle, jos halutaan sähköverkkomodeemin toimivan keskuksena eli tällöin modeemi jakaa käytettävän verkon käyttäjien kesken. Pc-moodia käytetään, kun sähköverkkomodeemi kytketään tietokoneeseen tai verkkotulostimeen. Molemmissa moodeissa tiedonsiirto on kaksisuuntaista.

10 9 Kuva 2.1. Sähköverkkomodeemeilla toteutettavat verkkotopologiat. 3 STANDARDIT Euroopassa on standardisoitu kotitalouksissa käytettävät pienjännitetasot. Euroopassa käytetään sähkönsiirrossa kolmivaihejärjestelmää. Vaiheiden välinen jännite on 400 V ja vaiheen ja nollan välinen 230V. Käytettävä verkkotaajuus on 50 Hz. Kotitalouksissa sähkölaitteet kytketään tyypillisesti vaiheen ja nollan väliin. USA:n ja Japanin standardit eroavat Euroopassa käytetystä standardista hieman. Euroopassa on määritelty sähköverkossa tapahtuvalle signaloinnille oma standardi, CENELEC EN Standardi sisältää yleiset vaatimukset, taajuuskaistat ja

11 10 elektromagneettiset häiriötasot. Taajuuskaista ulottuu 3 khz khz. Taajuuskaista on lisäksi jaettu viiteen alakaistaan. USA:ssa FCC säätelee lähetystehot ja kaistanleveydet sähköverkossa tapahtuvalle signaloinnille. FCC-standardin mukainen taajuuskaista on huomattavasti laajempi kuin Euroopassa, khz. Lisäksi sähköverkossa tapahtuvaan tiedonsiirtoon on myös määritelty teollisuusstandardeja. Yksi tällainen organisaatio on HomePlug Powerline Alliance. /1/ 3.1 HomePlug 1.0 Standardi määrittelee käytettävän tiedonsiirtoprotokollan. Standardi on otettu käyttöön vuonna 2001 vasta sen jälkeen, kun sen toiminta testattiin käytännössä 500 kodissa USA:ssa ja Kanadassa. Testi löytyy lähteestä /5/. HomePlug 1.0 käyttää PHY-protokollaa (fyysinen kerros), joka perustuu jo olemassa oleviin menetelmiin. Se hyödyntää taajuuskaistaa 0 25 MHz, joka sisältää 128 OFDM-monikantoaaltotekniikkaan (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) perustuvaa kantoaaltoa. Näistä 84 kantoaaltoa käytetään tiedonsiirtoon. HomePlug 1.0:ssa on määritelty neljä eri modulointimenetelmää tiedonsiirtoon, joihin on lisätty jaksoittainen toisto synkronisointia varten. Käytettävät modulointimenetelmät ovat BPSK (Binary Phase Shift Keying), DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying), DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) tai ROBO, joka on robusti muoto DBPSK:sta. Standardi takaa, että eri valmistajien tuotteet ovat yhteensopivia keskenään. HomePlug 1.0 protokolla määrittelee fyysisen kerroksen, MAC-kerroksen, käytettävät modulointimenetelmät ja taajuuskaistat. /1/ HomePlug 1.0:n PHY-kerros eli fyysinen kerros OFDM-monikantoaaltotekniikka sopii hyvin sähköverkossa tapahtuvaan tiedonsiirtoon, koska se ei ole altis monille siellä esiintyville häiriöille. OFDM-monikantoaaltotekniikasta on kerrottu tässä työssä tarkemmin seuraavassa kappaleessa. HomePlug 1.0:ssa tiedonsiirtonopeus voi vaihdella välillä 1 Mbps 14 Mbps riippuen käytetyn kanavan ominaisuuksista. Aktiivisena olevat HomePlug 1.0 laitteet suorittavat kanavan arviointia vähintään 5 sekunnin välein. Tämä ominaisuus mahdollistaa adaptoitumisen verkon ominaisuuksien muuttuessa. Adaptaation avulla pyritään maksimoimaan kanavan siirtonopeus joka tilanteessa. /8/

12 11 Kuvassa 3.1 on esitetty HomePlug 1.0:n kehysrakenne ja protokolla. Johdantoa ja kehysohjauksia käytetään synkronisointiin ja ohjaukseen. Kehysohjaukset ja vaste-erotin (RIFS) sisältävät sekä erotintyypin, että kilpailun ohjausinformaation. Kehyksen alussa oleva kehysohjaus sisältää vastaanottimen tarvitsemaa tietoa kehyksen dekoodauksesta ja kentän pituudesta. Kehyksen loppuosa sisältää tietoa prioriteetista, jota käytetään kilpailutilanteiden hallintaan eli missä järjestyksessä laitteet saavat lähettää paketit. Vaste-erotin mahdollistaa lähettäjän tarkistaa vastaanottajan vastauksen oikeellisuuden eli lähettäjä pystyy varmistamaan, että vastaanottaja on saanut juuri äsken lähetetyn kehyksen. Kehyksen lopetus on sijoitettu kehyssarjan tarkistuksen (FCS) ja loppuerottimen väliin, jotta prosessointi olisi mahdollista. /8/ HomePlug 1.0:n MAC-kerros HomePlug 1.0:n MAC-protokolla on modifioitu CSMA/CA-protokolla prioriteettisella signaloinnilla. /8/ CSMA/CA-protokollassa pyritään törmäysten havaitsemisen sijaan välttämään niiden tapahtumista, koska törmäyksiä ei voida havaita suoraan. CSMA/CA käyttää ns. kilpavarausmenetelmää. HomePlug 1.0 laitteet toimivat ad-hoc-moodissa kommunikoidessaan eli ne kommunikoivat suoraan keskenään, eikä muita verkkolaitteita tarvita. HomePlug 1.0:n kehysrakenne ja protokolla on esitetty kuvassa 3.1. Kuva 3.1. HomePlug 1.0:n kehysrakenne ja protokolla. /8/

13 12 HomePlug 1.0 tarjoaa seuraavat neljä prioriteettiluokkaa, CA3, CA2, CA1 ja CA0, jotka on lueteltu korkeimmasta matalimpaan. Prioriteettiluokka valitaan asettamalla sopivat signaalit PR0:lle ja PR1:lle (Priority Resolution). Esimerkiksi, jos halutaan lähettää prioriteettiluokan CA2 paketti, PLC-laitteen täytyy asettaa PR0 => 1 ja PR1 => 0. CA2-luokan paketin lähetys aiheuttaa kaikkien muiden laitteiden alempien luokkien pakettien lähetysten lykkäämisen. Prioriteettiluokat valitaan kymmenlukujärjestelmää vastaavilla binäärisillä luvuilla. Kilpailu samasta prioriteettiluokasta ratkaistaan kilpailujakson aikana. /8/ HomePlug 1.0:n ominaisuudet teoriassa Fyysisen kerroksen maksimitiedonsiirtonopeus on 14 Mbps. HomePlug 1.0:n MACkerroksen tiedonsiirtonopeus rajoittuu noin 57 %:in maksiminopeudesta, joka on noin 8 Mbps. Tämä näkyi käytännön mittaustuloksissa, sillä käytetty ohjelma mittasi MACkerroksen tiedonsiirtonopeuden. TCP-protokollan mukainen tiedonsiirtonopeus on käytännössä vielä alhaisempi. TCP-protokollaa käytettäessä tiedonsiirtonopeus rajoittui noin 6.3 Mbps. /8/ 3.2 Intellon PowerPacket Intellon on patentoinut PowerPacket-teknologian, joka perustuu HomePlug 1.0 standardiin. Se valmistaa ASIC-piirejä, joita käytetään useissa sähköverkkomodeemeissa. Piirin teknisiin ominaisuuksiin kuuluvat seuraavat asiat: /4/ - Integroitu fyysinen kerros (PHY Physical Layer) ja MAC (Medium Access Control) - Tiedonsiirtonopeus aina 14 Mbps:in saakka - Taajuuskaista Mhz - OFDM monikantoaaltotekniikka o 84 kantoaaltoa o Automaattinen kanavaan adaptoituminen o Virheenkorjaus - Kantoaallon modulointimenetelmät: o DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) o DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) o ROBO (Robust OFDM). Siinä on laaja aika- ja taajuusskaala, mikä parantaa järjestelmän kykyä toimia häiriöisissä ympäristöissä. /6/

14 13 ROBO-modulointia käytetään yleensä yhteyksien alussa, koska silloin ei ole vielä suoritettu adaptoitumista tiedonsiirtokanavaan. Erityisesti siirtolinjan ollessa hyvin häiriöinen, ROBO tarjoaa parhaan siirtonopeuden. Piiri adaptoituu käytettävään tiedonsiirtokanavaan arvioimalla lähetyskanavaa tietyin aikavälein. Tässä vaiheessa määritetään käytettävissä olevat kantoaallot, käytettävä modulointi- ja virheenkorjausmenetelmä, joita käytetään tulevissa lähetyksissä. Huomioitava asia on, että edellä esitetyt parametrit saattavat olla erilaiset toiseen suuntaan lähetettäessä, koska tiedonsiirtokanava ei välttämättä ole samanlainen molempiin suuntiin. IC-piirissä käytetään digitaalista suodatusta, jotta HomePlug:n määrittämän tehospektristandardin asettamat vaatimukset saadaan täytettyä. Standardi sisältää myös vaaditun 30 db:n vaimennuksen taajuuskaistoilla, joita käytetään amatööriradioissa. Tällä estetään amatööriradiolähetysten häiritseminen. /7/ Käyttämättömiä taajuuskaistoja voi nähdä kappaleessa 5 esitetyistä modeemin taajuusvastekuvaajista. 4 MODULOINTITEKNIIKAT SÄHKÖVERKOSSA Sähköverkko on tiedonsiirron kannalta vaikea ympäristö, koska sen ominaisuudet muuttuvat herkästi ajan, paikan ja kuorman muutoksien suhteen. /1/ Sähköverkko vaatii modulointitekniikalta paljon, kun sitä käytetään tiedonsiirtoon, sillä sähköverkkohan on suunniteltu käytettäväksi ainoastaan verkkotaajuisen (50 Hz) signaalin siirtoon. Kapeakaistaiset digitaaliset modulointitekniikat, kuten amplitudi- (ASK), vaihe- (PSK) ja taajuusmodulointi (FSK), eivät sovi yksinään käytettäväksi laajakaistaiseen tiedonsiirtoon sähköverkossa, koska ne käyttäytyvät huonosti sellaisessa ympäristössä. /1/ Tekniikat käyttävät yhtä kantoaaltoa ja juuri se aiheuttaa ongelmia, kun tiedonsiirtonopeutta yritetään nostaa. Edellä mainituilla tekniikoilla on huonot tiedonsiirto-ominaisuudet sähköverkossa, ne ovat alttiita sähköverkossa esiintyville impulssimaisille häiriöille, ne eivät käytä taajuuskaistaa riittävästi hyödyksi ja niitä on mahdollista käyttää vain pienillä siirtonopeuksilla. /2/ Lähteessä /2, s. 297, taulukko 6-1/ on esitetty useiden modulointimenetelmien ominaisuuksia sähköverkossa tapahtuvaan tiedonsiirtoon.

15 14 Seuraavaksi esitellään tarkemmin edellä mainittuja modulointitekniikoita. Tässä esitetyt modulaatiot perustuvat sinimuotoiseen kantoaaltoon. Kantoaaltosignaali (4.1) muodostuu kolmesta parametrista amplitudi s () t A () t sin[ π f () t t + ϕ () t ] c 2 c A c, taajuus f c ja vaihe ϕ c. =. (4.1) c Yhtälö (4.1) sisältää kaikki mahdolliset perusmodulaatiot. Amplitudimodulaatiossa kantoaallon amplitudi A c () t, taajuusmodulaatiossa kantoaallon taajuus f c () t ja vaihemodulaatiossa kantoaallon vaihe ϕ () t vaihtelevat ajan suhteen moduloivan datasignaalin mukaan. c 4.1 ASK Amplitudimodulaation yksinkertaisimmassa tapauksessa kantoaallolla on ainoastaan kaksi mahdollista arvoa, 0 ja 1. Nollabitti sammuttaa (disable) kantoaallon, kun taas ykkösbitti sytyttää (enable) sen. Tätä modulointia kutsutaan on off amplitudimodulaatioksi, ASK (Amplitude Shift Keying). /2/ Jos lähetettyä digitaalista bittivirtaa kuvataan yhtälöllä (4.2) () = t itb d t b rect i, (4.2) i= Tb missä b i on datavektori, joka sisältää nollat ja ykköset ja T b bitin kestoaika, niin tällöin ASK-modulaatiota voidaan kuvata yhtälöllä (6.3). s ASK () t d() t A sin( 2πf t) =. (4.3) c ASK-modulointitekniikka on ollut pitkään käytössä, koska se on edullinen ja helposti toteutettavissa. Yleisesti ASK-modulointia ei pidetä sopivana matalatehoiseen tiedonsiirtoon sähköverkossa, koska häiriöt vaikuttavat suoraan vastaanotettuun signaaliin. Häiriöt summautuvat ns. hyötysignaaliin ja täten aiheuttavat ongelmia nolla- ja ykkösbitin tunnistuksessa. Kuvassa 4.1 on esitetty yksinkertainen esimerkki siitä, miltä amplitudimodulaatio näyttää. Kuvassa ylempi käyrä esittää datasignaalia ja alempi sen amplitudimodulaatiota. /2/ Tämän yksinkertaisen modulaation huono puoli on, ettei nollabitin aikana lähetetä mitään. Kuvasta 4.1 nähdään, että lähetystehoa hukataan sellaiseen kantoaallon osaan, joka ei sisällä tietoa ollenkaan. /2/

16 15 Kuva 4.1. Esimerkki amplitudimodulaatiosta. Suorakulmainen käyrä esittää datasignaalia ja sinimuotoinen sen modulaatiota. 4.2 FSK FSK-modulaation etuna on, että lähetin ja vastaanotin voidaan helposti toteuttaa sekä analogisesti, että digitaalisesti. Aluksi taajuusmodulaattorin lähetinpuolella käytettiin yksinkertaisia oskillaattoreita ja vastaanotinpuolella vaihelukittuja silmukoita (PLL). Sittemmin digitaalielektroniikan yleistyttyä oskillaattorit vaihtuivat digitaalisiin taajuussyntetisaattoreihin ja vaihelukitut silmukat digitaalisiin ilmaisimiin. /2/ Kuvassa 4.2 on esitetty FSK-modulaation toimintaperiaate. FSK muuttaa kantoaallon taajuutta äkillisesti, joka vastaa loogista nollaa tai ykköstä. Kuvan esimerkissä matalataajuinen signaali vastaa nollaa ja korkeataajuinen ykköstä. Matalan ja korkean taajuuden ero voidaan valita vapaasti laajalla alueella. Pienimmän mahdollisen taajuusetäisyyden määrää vaadittava tiedonsiirtonopeus, esimerkiksi taajuudet täytyy olla 4.8 khz sisällä toisistaan, jos halutaan saavuttaa 4.8 Kbps siirtonopeus. Taajuusero voi myös olla siirtonopeuden monikerta. /2/

17 16 Kuva 4.2. FSK-modulaation toimintaperiaate. Suorakulmainen käyrä esittää datasignaalia ja sinimuotoinen sen modulaatiota. FSK on yleisesti suhteellisen robusti lähetysmuoto, koska taajuusvirheet ovat epätodennäköisempiä kuin amplitudivirheet. Tämä voi johtua siitä, että kanavat ovat lähellä lineaarista eli ne eivät merkittävästi generoi uusia taajuuksia. Virheitä tapahtuu FSK:ssa, kun toinen taajuuksista on joko vaimentunut liikaa tai peittynyt voimakkaaseen kapeakaistaiseen kohinaan. Tällaista tapahtuu esimerkiksi jatkuvasti sähköverkossa, jonka takia FSKmodulaatiota ei käytetä sähköverkossa tapahtuvassa tiedonsiirrossa. Yhtälöä (4.1) ja esiteltyä datavektoria b i voidaan käyttää apuna kuvaamaan FSK-signaalia (4.4), joka sisältää nollia ja ykkösiä /2/ t itb () t = A [ b sin( 2πf t) + b sin( 2πf t) ] sfsk i c,1 i c,2 i= Tb rect. (4.4) 4.3 PSK Vaihemodulaatiolla saavutetaan näistä kolmesta (ASK, FSK, PSK) modulaatiotavasta parhaimmat tulokset sähköverkossa tapahtuvan tiedonsiirron kannalta katsottuna. Yksi vaihemodulaatiotavoista on binäärinen vaihemodulaatio, BPSK (Binary Phase Shift Keying). Se on yksinkertainen ja tehokas. BPSK-modulaatiossa binäärinen datavirta moduloi nollavaiheessa olevaa kantoaaltoa kääntämällä sen vaihetta joko 0 tai 180 riippuen datasignaalin loogisesta tilasta. Kuva 4.3 havainnollistaa kyseistä tilannetta. BPSKmoduloinnissa lähetysteho käytetään kokonaisuudessaan informaation kuljetukseen. Vaihemodulaation ilmaisuun käytettävät vastaanottimet saattavat joskus asettaa hintansa puolesta tiettyjä rajoituksia. /2/

18 17 Kuva 4.3. PSK-modulaation toimintaperiaate. Suorakulmainen käyrä esittää datasignaalia ja sinimuotoinen sen modulaatiota. Vaihe kääntyy 180, kun signaalin looginen tila muuttuu ja 0, kun signaalin looginen tila pysyy samana. BPSK ei ole herkkä amplitudin tai taajuuden vaihteluille. Se on lisäksi vähiten herkkä näistä kolmesta laajakaistaiselle kohinalle. BPSK voi herkästi keskeytyä, jos moduloitu kantoaalto joutuu nopean vaihehyppelyn kohteeksi matkallaan sähköverkossa lähettimeltä vastaanottimelle. Käyttämällä yhtälöitä (4.1) ja (4.2) apuna, voidaan BPSK-signaali kuvata yhtälöllä (4.5). /2/ BPSK () t = A sin[ 2πf t + d() t π] s. (4.5) c 4.4 QAM QAM:ssa (Quadrature Amplitude Modulation) hyödynnetään sekä vaihe- että amplitudimodulaatiota. Siinä yhdistetään kaksi toisiinsa nähden 90 vaihekulmassa olevaa signaalia samalle kaistalle. QAM vaatii lineaarisen lähetyskanavan toimiakseen, jos kanavan ominaisuuksia ei tunneta. /13/ Vastaanotettu signaali voidaan kuitenkin ekvalisoida eli korjata kanavan aiheuttamat vääristymät, jos kanavan ominaisuudet tunnetaan. QAM:ssa käytettävien pisteiden määrä on aina kahden potenssi. Modulaatioita on 2-QAM:sta ( 2) 1 aina 4096-QAM:in ( 2 12 ) saakka. Kahden potenssi kertoo suoraan yhdellä symbolilla siirrettävän bittimäärän. Esimerkiksi 16-QAM:lla on yhdellä symbolilla mahdollista siirtää neljä bittiä ( 2 4 = 16 ). 64-QAM:ia käytetään yleisimmin mm. digitaalisissa kaapelitelevisiolähetyksissä sekä kaapelimodeemeissa. QAM:ia käytetään myös sähköverkossa tapahtuvassa tiedonsiirrossa, mutta käytettävien pisteiden määrän ratkaisee se, kuinka monta bittiä/symboli halutaan kuljettaa. Symbolin pituus vaikuttaa kuitenkin häiriöherkkyyteen. Kuvassa 4.4 on esimerkki 16-QAM:sta.

19 18 Kuva 4.4. Esimerkki 16-QAM:sta. Kuvassa pienin ja suurin amplitudi (sisin ja uloin ympyrä) sisältävät neljä eri vaihekulmaa. Keskimmäiseksi suurin amplitudi sisältää vastaavasti kahdeksan eri vaihekulmaa. Kuvan 4.4 esittämä 16-QAM tunnetaan myös nimellä 16-APK (4,8,4) modulaatio (Amplitude Phase Keying). /13/ QAM-signaalia voidaan kuvata yhtälöllä (4.6). s QAM 2E 2E = c,1 c c,2 c, (4.6) T T () t A cos( 2πf t) A sin( 2πf t) missä A c,1 ja A c,2 ovat 90 vaihekulmassa olevien tietoa kuljettavien signaalien amplitudit, T jaksonaika ja E signaalin energia. /14/ 4.5 OFDM-monikantoaaltotekniikka Yksi mahdollinen ratkaisu, kuten käytettävälle tiedonsiirtokanavalle, on käyttää robusteja modulointimenetelmiä, jotka pystyvät käsittelemään tiedonsiirtokanavan tuntemattomia vaimennuksia ja vaihesiirtoja. Tällöin vastaanottimesta voidaan tehdä yksinkertainen. Ongelmana on kuitenkin yhdistää nämä vaatimukset suureen tiedonsiirtonopeuteen ja sähköverkon aiheuttamiin kaistanleveysrajoituksiin. Yksi mahdollisuus on jakaa taajuuskaista useaan eri osaan ja moduloida ne erikseen jollakin modulointimenetelmällä. Tähän tarkoitukseen sopiva menetelmä on OFDM-monikantoaaltotekniikka (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). /1/ OFDM on kehittynyt monikantoaaltotekniikka, joka perustuu usean kantoaallon käyttöön. Sitä käytetään monissa erilaisissa sovelluksissa, kuten esimerkiksi ADSL:ssä, digitaalisissa radio- (DAB) ja televisiolähetyksissä (DVB) sekä tietysti tiedonsiirrossa sähköverkossa. OFDM:ssa digitaalinen informaatio jaetaan useille kantoaalloille. HomePlug-standardin

20 19 mukaisessa sähköverkossa tapahtuvassa tiedonsiirrossa käytettäviä kantoaaltoja voi olla maksimissaan 84 kappaletta, sillä sähköverkkomodeemien käyttämä taajuuskaista on MHz. /1/ Toiminta Kuvassa 4.5 on esitetty lohkokaavio OFDM-lähettimestä ja -vastaanottimesta. Kuva 4.5. OFDM-lähetin ja -vastaanotin. Ylemmässä kuvassa on esitetty OFDM-lähettimen ja alemmassa OFDM-vastaanottimen periaatteellinen toiminta lohkokaaviotasolla. Lähettimen ja vastaanottimen toiminnat ovat samat, mutta vastakkaiset ja toiminnot suoritetaan käänteisessä järjestyksessä. Kuvasta 4.5 selviää hyvin OFDM monikantoaaltotekniikan toimintaperiaate. Ensiksi tulevaan signaaliin lisätään tarvittaessa virheenkorjaus, joka tietysti lisää siirrettävää datan määrää. Toisessa vaiheessa signaali moduloidaan. /3/ Modulointi tehdään yleisimmin OFDM:ssä QPSK:lla (Quadrature Phase Shift Keying), BPSK:lla (Binary Phase Shift Keying) tai QAM:lla (Quadrature Amplitude Modulation). Muitakin modulointimenetelmiä on olemassa, kuten aiemmin on mainittu, mutta niiden soveltuvuus nopeaan tiedonsiirtoon sähköverkossa on kovin huono. Menetelmillä pystytään kuljettamaan yhdellä symbolilla dataa 2 bittiä (QPSK) ja 4 bittiä (16-QAM). Tiedonsiirtonopeus on kuitenkin riippuvainen lähetystehosta. Huomaa symbolin ja databitin ero. Symboli bitti vastaavuus näyttää esimerkiksi QPSK:ssa seuraavalta: /2/ Modulointimenetelmissä on selkeä ero, sillä QPSK:lla moduloitua signaalia voidaan lähettää epälineaarista kanavaa pitkin, kun taas QAM:lla moduloitu signaali vaatii lineaarisen

21 20 kanavan. Tämän takia QPSK-modulointia käytetään useimmissa tapauksissa. QPSK:lle tuottaa kuitenkin ongelmia taajuudet, joilla esiintyy nopeita vahvistuksen muutoksia suuntaan tai toiseen (notch), koska tällöin vaiheessa tapahtuu nopeita hyppäyksiä. Kolmannessa vaiheessa sarjamuotoinen signaali jaetaan k:hon rinnakkaiseen itsenäiseen datavirtaan. Jokaisen alakanavan kaistanleveys on siis k:s osa alkuperäisestä kaistanleveydestä yhtälön (4.7) mukaan. Bkok f =, (4.7) k missä f on alakanavan kaistanleveys, B kok alkuperäinen kaistanleveys ja k alakanavien määrä. Neljännessä vaiheessa rinnakkaisille signaaleille lasketaan N-pisteinen käänteinen Fourier-muunnos (IFFT), jolla ne saadaan moduloitua kantoaalloille. N:n täytyy olla kahden potenssi, koska matemaattisesti tehokas FFT- ja IFFT-algoritmin implementaatio vaatii sitä. Jos k ei ole kahden potenssi, on N valittava siten, että se on ainakin pienin mahdollinen kahden potenssi, joka on suurempi kuin k. Viidennessä vaiheessa rinnakkaismuotoinen signaali muunnetaan takaisin sarjamuotoiseksi yhdelle laajalle taajuuskaistalle, jossa kuitenkin siirretään dataa k:lla omalla kantoaallolla. Kuudennessa vaiheessa sarjamuotoinen signaali muunnetaan digitaalisesta analogiseksi D/A-muuntimella. Tämän jälkeen signaali on valmis lähetettäväksi. OFDM-vastaanottimessa toimenpiteet tehdään käänteisessä järjestyksessä ja vastakkaisina lähetykseen nähden. Tässä esityksessä kaikki tulossa olevat käyttämättömät kantoaallot asetetaan nolliksi. /3/ OFDM:n hyvänä puolena voidaan mainita, että häiriöisessä ympäristössä tiedonsiirtonopeus putoaa, mutta ei katkea. OFDM voi pudottaa kanavia pois käytöstä ja lisätä täten toiminnassa olevien kanavien lähetystehoa. Kanavia kannattaa tietysti pudottaa sellaisilta taajuuksilta pois, missä häiriöiden tasot ovat suurimpia. 5 TIEDONSIIRTONOPEUSMITTAUKSET Tiedonsiirtonopeusmittauksia tehtiin liitteessä I esitetyissä ympäristöissä, jotka muistuttivat lähinnä tehdasympäristöä. Mittausten perusteella saatiin melko kattava katsaus erilaisten etäisyyksien ja häiriöiden vaikutuksista siirtonopeuksiin.

22 Mittausten toteutus Mittaukset tehtiin kuvan 1.2 esittämällä tavalla. Tiedonsiirtonopeudet mitattiin Phonex NAC -ohjelman avulla. Ohjelma antoi melko luotettavia tuloksia tiedonsiirtonopeuksista, sillä muutamia tuloksia verrattiin FTP:llä (File Transfer Protocol) saatuihin tiedonsiirtonopeuksiin. FTP:llä lähetettiin kanavaa pitkin kokonainen tiedosto. Tiedonsiirtonopeudet mitattiin kanavan molempiin suuntiin. NeverWire 14 -sähköverkkomodeemin siirtonopeus rajoittui käytännön testeissä noin 8.2 Mbps:in, joka on modeemien maksimitiedonsiirtonopeus. Sähköverkkomodeemin tiedonsiirtonopeus riippui siitä, kumpaan suuntaan dataa lähetettiin. Tämän aiheutti se, että vastaanottopäässä sähköverkkomodeemin lähettämä signaali oli vaimentunut, jolloin signaalikohinasuhde oli huonompi. Esimerkiksi jos modeemin 2 läheisyydessä oli häiriölähde, joka häiritsi lähetystä, niin modeemilta 1 lähetetyn signaalin siirtonopeus oli pienempi kuin modeemilta 2 lähetyn. Tämä johtui siitä, että modeemin 2 lähettämä signaali oli voimakkaampi suhteessa häiriösignaaliin kuin modeemin 1 lähettämä signaali, koska signaali vaimeni matkan funktiona. Tämä ilmiö näkyi mittaustuloksissa. Tässä työssä lähetyksellä tarkoitetaan modeemin lähetystä, joka pysyy mittauksissa aina paikallaan ja vastaanotolla taas modeemin lähetystä, jota liikutetaan eri pistorasiakeskuksien välillä. Kummassakin tapauksessa tapahtuu tiedonsiirtoa, mutta tietoa lähettävä laite vaan vaihtuu eli tiedonsiirtokaistaa testataan molempiin suuntiin, sillä tiedonsiirtonopeus ei välttämättä ole sama molempiin suuntiin. Seuraavat mittaukset suoritettiin lähettämällä pakettia molempiin suuntiin. 5.2 Johtopäätökset tiedonsiirtonopeusmittauksista Sähköhallissa käynnissä ollut taajuusmuuttajakäyttö ei häirinnyt modeemien toimintaa oleellisesti. Ainoa huomio kiinnittyi siihen, kun taajuusmuuttajakäytössä olleen moottorin runko oli maadoitettu (PE) mittauksissa käytettyyn pistorasiakeskukseen JP6Ea11. Modeemien tiedonsiirtonopeus pieneni huomattavasti taajuusmuuttajakäytön käynnistyttyä, kun toinen modeemeista oli kytkettynä kyseiseen pistorasiakeskukseen. Tämän aiheutti osaltaan se, että taajuusmuuttajan aiheuttamat häiriöt kytkeytyivät moottorin rungon kautta käytettyyn pistorasiakeskukseen. Tällöinkin tiedonsiirtonopeus pieneni ainoastaan toiseen suuntaan lähetettäessä. Tämä selittyy edellä esitellyn kappaleen perusteella. Huomattavaa

23 22 edellisessä tapauksessa oli myös se, että tiedonsiirtonopeus vaihteli rajusti edestakaisin, kun sähköverkkomodeemit yrittivät maksimoida tiedonsiirtokapasiteettia. Mittaustulokset on esitetty liitteessä II. Sulautettujen järjestelmien laboratorion alakerrassa tehtyjen mittausten perusteella pystyttiin päättelemään, että modeemit pystyivät kommunikoimaan myös eri jakokeskuksien välillä. Tällöinkin tiedonsiirtonopeus oli vielä huomattavan suuri ottaen huomioon tiedonsiirtotien pituus sekä lähetystehon jakautumisen verkkoon lukuisista rinnakkaisista haaroista johtuen. Tosin täytyy huomioida, että näiden pistorasia- ja jakokeskuksien kaapeleita kulki samoilla kaapelihyllyillä. Kyseiset huoneethan olivat huomattavan lähellä toisiaan. Mutta tulos oli kuitenkin melko lupaava, kun ympäristössä ei vaikuttanut kovinkaan paljon ulkopuolisia häiriölähteitä. Mittaustulokset on esitetty liitteessä II. ABB-luokassa ja kevyessä sähkökonelaboratoriossa tehdyissä mittauksissa oli samansuuntaisia tuloksia kuin aiemmissakin mittauksissa. Siellä tosin selvisi taajuusmuuttajan aiheuttamat vaikutukset tiedonsiirtonopeuteen. Taajuusmuuttaja otti käyttösähköt samasta pistorasiakeskuksesta kuin testattava modeemikin. Tällöin tiedonsiirtonopeus putosi jopa puoleen ja virhepakettejakin ilmestyi ensimmäistä kertaa. Pahimmassa tapauksessa virhepaketteja oli 5, kun kaikkiaan lähetettäviä paketteja oli eli noin 0.5 :a paketeista oli virheellisiä. Mutta tässäkin tapauksessa tiedonsiirtonopeus putosi merkittävästi ainoastaan toiseen suuntaan lähetettäessä, kuten olisi voinut olettaa. Yksi mittaus tehtiin myös tietokoneen ollessa kytkettynä samaan pistorasiakeskukseen, mutta se ei aiheuttanut oleellisesti ongelmia modeemeille. Myös näissä mittauksissa saatiin yhteys toisen jakokeskuksen alaiseen pistorasiakeskukseen (JP6Ea10). Tämä oli mielenkiintoinen mittaus, koska nyt häiriölähteitä oli enemmän kuin aikaisemmin. Tällöin tiedonsiirtonopeus oli huomattavasti aiempia mittauksia pienempi ja virheitä pakettien lähetyksissä tapahtui runsaasti. Ensimmäiseen suuntaan tiedonsiirron nopeuden keskiarvo oli 209 Kbps ja virheiden 133 Kbps. Virheellisiä paketteja vastaanotettiin 3906 kappaletta eli noin 39 %. Toiseen suuntaan tiedonsiirtonopeustesti keskeytyi, jonka aiheutti luultavasti sähkökonehallissa olleen taajuusmuuttajakäytön käynnistys. Tiedonsiirtonopeuden pienenemisen eri jakokeskuksien välillä aiheutti se, että silloin oli niin paljon päätepisteitä (pistorasiakeskuksia, moottorisyötöt, yms.), joista signaali heijastui takaisin ja haaroja, joihin

24 23 lähetetty signaalin teho jakautui sekä etäisyydet olivat jo huomattavan pitkiä. Mittaustulokset on esitetty liitteessä II. 6 SÄHKÖVERKKOMODEEMEILLE TEHDYT MITTAUKSET Sähköverkkomodeemeille tehtiin muutamia mittauksia, joka selvittäisi niiden toimintaa. Mittauksilla selvitettiin modeemien lähetyskaista ja sekä lähetys- että vastaanottojännitteet erilaisissa tilanteissa. Lisäksi selvitettiin sähköverkkomodeemien lähetys- ja vastaanottotapahtuman taajuusvaste erilaisissa ympäristöissä. Lopuksi tutkittiin edellä esiteltyjen tiedonsiirtonopeusmittauksien perusteella matkan vaikutus tiedonsiirtonopeuteen. 6.1 Mittausrajapinta Sähköverkkomodeemeille rakennettiin mittausrajapinta, jotta oskilloskoopilla pystyttiin mittaamaan ja vastaanottamaan verkossa esiintyvien häiriöiden tasot sekä modeemien lähettämän signaalin tasot. Suodattimen täytyi suodattaa tehokkaasti erityisesti verkkotaajuus pois. Kytkentään laitettiin verkkojännitepuolelle 47 nf:n kondensaattorit ja muuntaja, jossa käämikierroksia oli 3:3. Muuntaja toimi induktanssina ja lisäksi sillä erotettiin verkko- ja signaalipuoli toisistaan. Kondensaattorit ja muuntaja yhdessä muodostivat LCylipäästösuodattimen. Kuvassa 6.1 on esitetty käytetyn suodattimen piirikaavio. C1 L 3: n C2 4 8 N 47n TRANSFORMER R1 100k Signaali Signaalin maa Kuva 6.1. Mittauksissa käytetty rajapinta. Kuvan 6.1 mittausrajapinnalle määritettiin mittaamalla taajuusvaste sekä impedanssin käyttäytyminen taajuuden funktiona. Kuvassa 6.2 on esitetty mittausrajapinnan vahvistus ja vaihe taajuuden funktiona. Kuvasta nähdään, että mittausrajapinta vaimentaa 50 Hz:n taajuisia signaaleja yli 100 db:ä eli noin osaan alkuperäisestä. Mittausrajapinta ei kuitenkaan vaimenna oleellisesti modeemien käyttämää taajuuskaistaa. Kuvassa 6.3 on esitetty mittausrajapinnan toiminta taajuusalueella 4 21 MHz:ä. Kuvasta nähdään, että vaimennus modeemien käyttämällä taajuusalueella on suurimmillaankin reilusti alle 3 db:ä ja vaihe pysyy melko vakiona. Kuvassa 6.4 on vielä esitetty mittausrajapinnan tuloimpedanssi ja vaihe taajuuden funktiona. Kuvasta nähdään, että tuloimpedanssi on

25 24 suurimmillaan pienillä taajuuksilla ja vaimenee rajusti taajuuden kasvaessa. Kuvasta on myös huomattavissa resonanssipiikki 9 MHz:n kohdalla. 0 Vahvistus [db] Taajuus [Hz] Vaihe [ ] Taajuus [Hz] Kuva 6.2. Mittausrajapinnalle mitattu vahvistus ja vaihe taajuuden funktiona taajuusalueella 10 Hz 10 MHz.

26 25 0 Vahvistus [db] Taajuus [Hz] 170 Vaihe [ ] Taajuus [Hz] Kuva 6.3. Mittausrajapinnan vahvistus ja vaihe taajuuden funktiona modeemien käyttämällä taajuusalueella 4 21 MHz:ä Impedanssi [ohm] Taajuus [Hz] Vaihe [ ] Taajuus [Hz] Kuva 6.4. Mittausrajapinnalle mitattu tuloimpedanssi ja vaihe taajuuden funktiona taajuusalueella 100 Hz 30 MHz. Huomaa, että ylemmässä kuvassa molemmat asteikot ovat logaritmisia.

27 Mittausrajapinnan simulointi Edellisessä kappaleessa esitetty mittausrajapinta voitiin mallintaa yksinkertaistetun kytkennän avulla, missä muuntaja korvattiin rinnakkaisella kelalla. Kelan induktanssi saatiin määritettyä kuvan 6.4 avulla. Kuvassa 6.5 on esitetty suurennus kuvan 6.4 mittausrajapinnan impedanssin käyttäytymisestä (4.2 MHz, 400 ohm) Impedanssi [ohm] Taajuus [Hz] 100 Vaihe [ ] Taajuus [Hz] Kuva 6.5. Suurennettu kuva mittausrajapinnan tuloimpedanssin käyttäytymisestä alueella, missä vaihe on noin +90 eli mittausrajapinta voidaan olettaa täysin induktiiviseksi. Kuvan alue on valittu siten, että vaihe on noin +90. Tällöin mittausrajapinta voitiin olettaa täysin induktiiviseksi. Kuvan perusteella voitiin laskea mittausrajapinnan muuntajan induktanssi ratkaisemalla yhtälö (6.1) Z in = 2πfL, (6.1) missä Z in on mittausrajapinnan impedanssi, f taajuus ja L induktanssi. Sijoittamalla yhtälöön (6.1) kuvasta saadut arvot, saadaan Z in L = 2πf 400Ω = = 15.2µH. 2π 4.2MHz

28 27 Tämän jälkeen pystyttiin tekemään simulointimalli mittausrajapinnasta. Simulointimalli on esitetty kuvassa 6.6. Kuvassa oleva etuvastus R 1 kuvaa impedanssia taajuudella 4.2 MHz, kondensaattori C 1 mittausrajapinnassa olleita kahta sarjaan kytkettyä kondensaattoria ja kela L 1 edellä laskettua muuntajan induktanssia. Kuvan 6.6 kytkennälle simuloitiin taajuusvaste käyttäen tulojännitteenä 230 V. Simulointitulos on esitetty kuvassa 6.7. R1 400 C1 23.5n 1 230Vac 0Vdc V1 L1 15.2u R2 100k 2 0 Kuva 6.6. Mittausrajapinnan simulointimalli. Etuvastus R 1 kuvaa mittausrajapinnan impedanssia, kondensaattori C 1 mittausrajapinnassa olleita kahta sarjaan kytkettyä kondensaattoria ja kela L 1 muuntajan arvioitua induktanssia Jännite [V] Taajuus [Hz] 0 Vahvistus [db] Taajuus [Hz] Kuva 6.7. Mittausrajapinnan simuloitu taajuusvaste sekä jännitteen, että vahvistuksen funktiona taajuusalueella 100 Hz 100 MHz.

29 28 Kuvaan 6.8 on piirretty mittausrajapinnan sekä mitattu, että simuloitu taajuusvaste vahvistuksen funktiona, jotta niiden keskinäinen vertailu onnistuisi Vahvistus [db] Mitattu Simuloitu Taajuus [Hz] Kuva 6.8. Mittausrajapinnan mitattu ja simuloitu taajuusvaste vahvistuksen funktiona taajuusalueella 100 Hz 100 MHz. Kuvasta 6.8 nähdään, että mitattu ja simuloitu taajuusvaste käyttäytyvät 1 khz 10 khz alueella samalla tavalla, mutta 10 khz eteenpäin tulee eroa jonkin verran. Tämän aiheuttaa luultavasti muuntajan vajaa mallinnus. Esimerkiksi muuntajalle ei ole huomioitu hajainduktanssia ollenkaan. 1 khz alapuolella todellisen mittausrajapinnan vahvistus pysyy noin -100 db suuruisena, kun simuloidun mallin vahvistus jatkaa putoamistaan edelleen. Tämän aiheuttaa luultavasti mittauslaitteen tarkkuus, sillä yli 100 db vaimennuksia on todella hankala mitata, johtuen heikosta signaalin tasosta. 6.3 Oskilloskoopilla tehtyjä mittauksia Sähköverkkomodeemien käyttämä taajuuskaista selvitettiin oskilloskoopilla käyttämällä näytteenottotaajuutena 200 MHz:ä. Kuvassa 6.9 on esitetty saadusta signaalista FFT:llä piirretty taajuusvaste. Mittaukset tehtiin vaihe- ja nollajohtimen väliltä.

30 Jännite [V] Kuva Taajuus [Hz] x 10 7 Sähköverkkomodeemin käyttämä taajuuskaista taajuusalueella 0 Hz 30 MHz, kun oskilloskoopin aika-askel on 1 µs. Oskilloskoopin näytteenottotaajuus on 200 MHz ja käytettyjen näytteiden määrä FFT:n laskennassa on käytetty 1024 pistettä. Kuvasta 6.9 nähdään, että sähköverkkomodeemit käyttävät taajuuksia välillä n MHz. Tällöin riittää, kun tarkastellaan verkon häiriöitä ja modeemin lähettämää signaalia näytteenottotaajuudella 40 MHz, koska silloin pystytään kuvaamaan kaikki esiintyvät taajuudet aina 20 MHz:in saakka, joka on kiinnostava alue tässä tapauksessa. Seuraavissa mittauksissa oskilloskoopin aika-askeleena käytetään 5 µs ja näytteenottotaajuutta 40 MHz. Näytteitä on otettu 2000 kappaletta. Lisäksi FFT:n laskennassa on käytetty 1024 pistettä. Oskilloskooppi liitettiin verkkoon edellä esitetyn mittausrajapinnan avulla. Kuvassa 6.10 on esitetty verkossa esiintyvät häiriöt sekä aika- että taajuustasossa, kun verkossa oli kiinni käytössä ollut taajuusmuuttajakäyttö. Häiriöt mitattiin JP6Ea12 pistorasiakeskuksesta. Kuvista nähdään, että taajuusmuuttajan verkkoon aiheuttamat impulssimaiset häiriöt esiintyvät noin 40 khz taajuudella ja ne värähtelevät noin 2 MHz:n taajuudella. Häiriöpiikit ovat maksimissaan noin 4 V.

31 30 4 Jännite [V] Aika [s] x db[uv] Taajuus [Hz] x 10 7 Kuva Verkko, jossa on taajuusmuuttajakäyttö kiinni. Ylemmässä kuvassa on esitetty häiriöjännitteen käyttäytyminen, kun oskilloskoopin aika-askel on 5 µs. Oskilloskoopin näytteenottotaajuus on 40 MHz ja käytettyjen näytteiden määrä Oskilloskoopille tulevasta signaalista suodatettiin kaikki alle 1 MHz:n taajuudet pois mukaan lukien verkkotaajuus. Alemmassa kuvassa on esitetty häiriöjännitteen FFT:llä laskettu taajuusvaste taajuusalueella 0 20 MHz. FFT:n laskennassa on käytetty 1024 pistettä. Kuvassa 6.11 on esitetty häiriösuodatetussa verkossa esiintyvät häiriöt sekä aika- että taajuustasossa, kun verkossa oli kiinni käytössä ollut taajuusmuuttajakäyttö. Kuvista nähdään, että häiriöt ovat pudonneet noin kymmenesosaan tavalliseen verkkoon verrattuna. Tämän takia sähköverkkomodeemit toimisivat huomattavasti paremmin häiriösuodatetussa verkossa.

32 Jännite [V] Aika [s] x db[uv] Taajuus [Hz] x 10 7 Kuva Häiriösuodatettu verkko. Ylemmässä kuvassa on esitetty häiriösuodatetussa verkossa esiintyvän häiriöjännitteen käyttäytyminen, kun oskilloskoopin aika-askel on 5 µs. Oskilloskoopin näytteenottotaajuus on 40 MHz ja käytettyjen näytteiden määrä Oskilloskoopille tulevasta signaalista suodatettiin kaikki alle 1 MHz:n taajuudet pois mukaan lukien verkkotaajuus. Alemmassa kuvassa on esitetty häiriöjännitteen FFT:llä laskettu taajuusvaste taajuusalueella 0 20 MHz. FFT:n laskennassa on käytetty 1024 pistettä. Kuvassa 6.12 on esitetty sähköverkkomodeemin lähettämä signaali sekä aika- että taajuustasossa, kun se oli kytketty JP6Ea12 pistorasiakeskukseen. Kuvasta nähdään, että sähköverkkomodeemin lähetysamplitudi tässä tapauksessa oli maksimissaan 4 V. Taajuusvasteessa nähdään ns. kuoppia, jotka luultavasti ovat amatööriradiotaajuuksia. Amatööriradiotaajuuksien vaimennus oli noin 30 db.

33 32 4 Jännite [V] Aika [s] x Jännite [V] Kuva Taajuus [Hz] x 10 7 Sähköverkkomodeemin lähetys. Ylemmässä kuvassa on esitetty modeemin verkkoon syöttämä signaali ajan suhteen, kun oskilloskoopin aika-askel on 5 µs. Oskilloskoopin näytteenottotaajuus on 40 MHz ja käytettyjen näytteiden määrä Oskilloskoopille tulevasta signaalista suodatettiin kaikki alle 1 MHz:n taajuudet pois mukaan lukien verkkotaajuus. Alemmassa kuvassa on esitetty signaalin FFT:llä laskettu taajuusvaste taajuusalueella 0 20 MHz. FFT:n laskennassa on käytetty 1024 pistettä. Alemmassa kuvassa jänniteasteikko on logaritminen. Modeemien signaali-kohinasuhde voitaisiin määrittää, jos tiedettäisiin lähetys- ja vastaanottoteho sekä kohinateho molemmissa pisteissä. Signaali-kohinasuhde voitaisiin laskea yhtälön (6.2) avulla. Ps SNR = 10 log, (6.2) Pn missä P s on signaalin teho ja P n kohinan (häiriön) teho. Signaali-kohinasuhde voidaan määrittää myös yhtälön (6.3) avulla, jos tiedossa on jännitetasot. U s SNR = 20 log, (6.3) U n

34 33 missä U s on signaalin jännitetaso ja U n kohinan (häiriön) jännitetaso. Seuraavaksi testattiin modeemien toimintaa pitkällä etäisyydellä ja häiriöisessä ympäristössä. Mittaukset suoritettiin samojen pistorasiakeskuksien väliltä kuin aikaisemmissa tiedonsiirtonopeusmittauksissakin. Kaikissa mittauksissa käytettiin oskilloskoopin aikaaskeleena 5 µs ja näytteenottotaajuutena 40 MHz. Näytteitä tallennettiin 2000 kappaletta. FFT:n laskennassa käytettiin 1024 pistettä. Kuvassa 6.13 on esitetty JP6Ea4 pistorasiakeskuksesta mitatut verkkohäiriöt. Kuvasta nähdään, että verkossa esiintyvien häiriöiden taso on alhainen kaikilla taajuuksilla, eikä selkeitä häiriöpiikkejä esiinny millään taajuuksilla Jännite [V] Aika [s] x Jännite [V] 10-4 Kuva Taajuus [Hz] x 10 7 JP6Ea4 pistorasiakeskuksesta mitattu verkossa oleva häiriö. Ylemmässä kuvassa verkon häiriö on piirretty ajan suhteen ja alemmassa on siitä FFT:llä laskettu taajuusvaste taajuusalueella 0 20 MHz. FFT:n laskennassa on käytetty 1024 pistettä. Alemmassa kuvassa jänniteasteikko on logaritminen. Kuvassa 6.14 on esitetty modeemin lähettämä signaali, kun lähettävä modeemi kytkettiin JP6Ea4 pistorasiakeskukseen ja vastaanottava modeemi JP6Ea1+M pistorasiakeskukseen. Siirtomatka oli tässä tapauksessa noin 100 m. Taajuusvasteesta nähdään, että kantoaaltoja oli vähemmän käytössä kuin aikaisemmissa mittauksissa.

35 34 10 Jännite [V] Aika [s] x Jännite [V] Kuva Taajuus [Hz] x 10 7 Sähköverkkomodeemin lähettämä signaali, kun lähettävä modeemi oli kytketty JP6Ea4 pistorasiakeskukseen ja vastaanottava modeemi JP6Ea1+M pistorasiakeskukseen. Ylemmässä kuvassa lähetyssignaali on piirretty ajan suhteen ja alemmassa on siitä FFT:llä laskettu taajuusvaste taajuusalueella 0 20 MHz. FFT:n laskennassa on käytetty 1024 pistettä. Alemmassa kuvassa jänniteasteikko on logaritminen. Kuvan 6.14 esittämässä tapauksessa keskimääräinen tiedonsiirtonopeus oli 6.36 Mbps. Kuvassa 6.15 on esitetty JP6Da3 pistorasiakeskuksesta mitatut verkkohäiriöt. Kuvasta nähdään, että verkon ympäristössä esiintyi huomattavasti enemmän häiriöitä kuin edellisessä tapauksessa, mutta häiriöt olivat melko matalilla taajuuksilla. Sähkökonehallissa päällä ollut verkkovaihtosuuntaaja aiheutti häiriöitä verkkoon. Häiriöt tulivat pistorasiakeskuksiin nousukeskuksen NK6E02 kautta.

36 Jännite [V] Aika [s] x Jännite [V] 10-4 Kuva Taajuus [Hz] x 10 7 JP6Da3 pistorasiakeskuksesta mitattu verkossa oleva häiriö. Ylemmässä kuvassa verkon häiriö on piirretty ajan suhteen ja alemmassa on siitä FFT:llä laskettu taajuusvaste taajuusalueella 0 20 MHz. FFT:n laskennassa on käytetty 1024 pistettä. Alemmassa kuvassa jänniteasteikko on logaritminen. Kuvassa 6.16 on esitetty modeemin lähettämä signaali, kun lähettävä modeemi oli kytketty JP6Da3 pistorasiakeskukseen ja vastaanottava modeemi JP6Ea10 pistorasiakeskukseen. Pistorasiakeskuksien välinen etäisyys oli tässä tapauksessa noin 60 m. Kuvia tulkittaessa täytyy huomioida se, että pistorasiakeskukset olivat eri jakokeskuksien alaisuudessa, joka varmasti aiheutti omat ongelmat sähköverkkomodeemeille. Taajuusvasteesta nähdään, että kantoaaltoja oli edellistä tapaustakin vähemmän käytössä, koska monilla kantoaalloilla oli tehoa enemmän kuin aikaisemmissa tapauksissa.