2004
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 9 - 10 grudnia 2004 Dr inż. Krzysztof Lange
Instytut Elektroniki i Telekomunikacji Politechnika Poznańska
lange@et.put.poznan.pl
Transmisja sygnału czasu poprzez sieć energetyczną niskiego napięcia
Streszczenie: W artykule przedstawiono wykorzystanie modułu modemowego transmitującego dane przez sieć energetyczną do transmisji sygnalu czasu. Istota zagadnienia polega na propagacji sygnalu czasu wewnątrz budynku z wykorzystaniem istniejącego okablowania sieci niskiego napięcia.
Źródłem sygnalu czasu jest opracowany w Instytucie Elektroniki i Telekomunikacji serwer czasu TS zapewniający synchronizację czasu z systemu GPS.
1. WSTĘP
Nie wiemy czym jest czas [1]. Łatwiej jest natomiast zdefiniować pojęcie sygnału czasu.
Możemy przyjąć, że jest to pakiet informacji uzupełniony o periodyczny znacznik oznaczający moment, którego dotyczy ten pakiet. Współczesne zapotrzebowania na dokładny sygnał czasu wynika z integracji systemów informatycznych z telekomunikacyjnymi. Obecnie najpopularniejszy jest NTP (Network Time Protocol) do rozprowadzenia sygnału czasu w sieci komputerowej. Jednak ze względu na relatywnie niski poziom hierarchii przez oprogramowanie komputera w obsłudze danych czasu, szczególnie w przypadku dużego ruchu informatycznego oraz przy braku dostępu do sieci komputerowej potrzebne jest rozwiązanie alternatywne zapewniające dostęp do wysokiej jakości źródła sygnału czasu [2]. Takim źródłem może system GPS, którego wykorzystanie reprezentują np.
satelitarny wzorzec czasu i częstotliwości STFS, czy serwer czasu TS które zostały opracowane w IET PP [3]. Topografia narzuca znaczne ograniczenia na aspekty instalacyjne anteny GPS w związku z czym występuje w wielu miejscach brak dostępu do tego sygnalu np. między wysokimi budynkami. W takiej sytuacji jest możliwe jego transmitowanie z obszaru korzystnego odbioru do miejsc, w których te warunki są trudniejsze za pośrednictwem przyłącza sieciowego niskiego napięcia, które jest dostępne powszechnie. W tym celu wykorzystuje się technologię PLC (szerokopasmowa transmisja danych przez sieć energetyczną) [4]. Power Line Communications jest wykorzystanie infrastruktury energetycznej, do której dostęp ma ponad 99% gospodarstw domowych w Polsce w tym wszystkie
przedsiębiorstwa, do przesyłania sygnałów cyfrowych.
2. ŹRÓDŁA SYGNAŁU CZASU W Polsce jest kilka dostępnych źródeł czasu.
Dostęp do nich jest możliwy poprzez sieci komputerowe lub drogą radiową. Zestawienie tych źródeł przedstawia Tabela 1 [8]. Wynika z niej, że wybór metody jest przede wszystkim uzależnione od wymagań odbiorcy. Z wyjątkiem badań naukowych, w których dla porównania skal czasu są potrzebne dokładności nanosekundowe większość użytkowników zadawala się poziomem 1 sekundy lub pojedynczych milisekund. Jak już sygnalizowano we wstępie, najczęściej wykorzystywanymi sygnałami czasu są protokół NTP i system GPS.
2.1 Protokół NTP
Protokół NTP jest opracowany przez Dawida Millsa z Uniwersytetu Delavare w 1989 roku i jest wykorzystywany zazwyczaj przez Internetowe łącza sieci TCP/IP [5]. Nie wytwarza on jednak czasu źródłowego bowiem sam pobiera go zewnętrznego źródła czasu. Tak więc protokół NTP nie transportuje nie tylko czas jako takiego, ale przekazuje informacje o jego opóźnieniu względem idealnego źródła czasu UTC [7] . Na tej podstawie każdy dołączony komputer może stosownie kalibrować czas swojego lokalnego zegara z taką precyzją, na jaką mu pozwala jego własny sprzęt i system operacyjny. Zasada działania NTP oparta jest na pewnym modelu probabilistycznym. Transmitowany sygnał czasu podlega rozmaitym fluktuacjom i opóźnieniu propagacyjnemu. Składa się na to wiele czynników składowych, do których należą:
czas propagacji TCP/IP,
niestabilność stosowanych zegarów kwarcowych,
rzeczywista precyzja źródła czasu.
Ze względu na topografię sieci komputerowych
droga od wzorcowego źródła związanego z UTC
do odbiornika nie jest stała i może być
pokonywana różnymi drogami i w różnym czasie.
Tabela 1
Metoda Źródło czasu
Operator Dostęp Dokładność Szacowana ilość użytkowników
Rodzaj użytkowników
Program radiowy
UTC(PL) Polskie Radio
Program I i III 1 s. miliony/miesiąc Wszyscy
zegarynka Czas GPS TPSA Tel. : 9226 1 s. 100000/miesiąc Wszyscy Modem UTC(PL) GUM Tel. : (22)654-88-22 kilka ms. 5000/miesiąc Rząd, handel,
przemysł Internet
NTP
UTC(AOS) UTC(PL)
AOS GUM
pavo.cbk.poznan.pl vega.cbk.poznan.pl tempus1.gum.gov.pl tempus2.gum.gov.pl
kilka ms. 100000/miesiąc Wszyscy
Niektóre opóźnienia są niewielkie, inne są duże, ale zazwyczaj są zawsze zmienne. To stanowi ograniczenie dokładności protokołu NTP. Najłatwiej jest określić opóźnienia na łączach TCP/IP. Trudniej jest określić opóźnienia powstające wewnątrz samego komputera (klienta NTP). W tym celu NTP stosuje zasady pętli fazowej i częstotliwościowej PLL/FLL, które dostarczają mu koniecznych danych do obliczeń statystyki błędów i pozwala na utrzymanie odpowiedniego czasu w każdym z synchronizowanych komputerów. Dzięki temu po badaniu transmitowanych danych jest możliwe ich uporządkowanie pod kątem opóźnień. NTP określa jakie serwery czasu są dostępne i udostępnia ich statystykę. Na tej podstawie protokół przydziela każdemu serwerowi NTP poziom Stratum.
Korzystanie z protokołu NTP jest łatwe i polega na nawiązaniu połączenia sieciowego z jednym z przedstawionych w tabeli 1 serwerów [7]. Dla Windows XP wystarczy kliknąć w ikonę zegarka i ustawić w zakładce „czas Internet” odpowiedni adres.
Można też skorzystać z linii poleceń wpisując odpowiednie komendy przedstawione z rys.1
Rys.1. Polecenia do wprowadzenia czasu z protokołu NTP do Windows XP
Najwyższy priorytet ma Stratum 1 przy źródle PRC i maleje on aż do Stratum 16. Listę polskich serwerów Stratum 1-4 przedstawia tabela 2.
Tabela 2.
Nazwa serwera Adres IP
StratumStan time.atman.pl 217.17.34.38 4 aktywny ntp.centrum.pl 217.153.69.35 1 aktywny elproma.com.pl 213.77.124.176 1 aktywny galaxy.uci.agh.e
du.pl
149.156.96.9 2 aktywny ucirtr.agh.edu.pl 149.156.121.25
0
3 aktywny info.cyf-
kr.edu.pl
149.156.2.100 2 aktywny ntp.icm.edu.pl 193.219.28.149 2 aktywny sunsite.icm.edu.
pl
193.219.28.2 3 aktywny ntp.task.gda.pl 153.19.0.141 3 aktywny tempus1.gum.go
v.pl
212.244.160.67 1 aktywny tempus2.gum.go
v.pl
212.244.160.68 1 aktywny ntp.nask.pl 195.187.244.4 2 aktywny machinatus.toya
.net.pl
217.113.227.10 1
? nieaktywny pavo.cbk.pozna
n.pl
150.254.183.8 ? nieaktywny vega.cbk.pozna
n.pl
150.254.183.15 1 aktywny ntp.man.poznan.
pl
150.254.173.3 2 aktywny sunflower.man.
poznan.pl
150.254.173.2 2 aktywny ntp.signet.pl 193.110.120.9 2 aktywny callisto.zit.tpnet.
pl
80.48.104.196 ? nieaktywny
Ten sposób wprowadzenia sygnału czasu do
komputera można nazwać wprowadzeniem czasu
sieciowego. Charakteryzuje się on tym, że jest w nim
zapewniona synchronizacja zegara komputerowego z
odpowiednim, w zależności od wyboru serwerem NTP. Nie ma tu natomiast możliwości wykorzystania tego sygnału w postaci dostępnego przebiegu elektrycznego w sensie pakietu informacyjnego ze znacznikiem. Tego rodzaju sygnał można by nazwać sprzętowym sygnałem czasu. Wymaga on jednak dodatkowego programu umożliwiającego przesłanie tego sygnału na odpowiedni port komputera np.
COM1. Z tego powodu źródłem sygnału czasu w eksperymencie będzie czas z odbiornika GPS
2.2 Czas systemu GPS
Większość odbiorników sygnałów systemu GPS wykorzystuje protokół NMEA-0183, który jest przeznaczony do wymiany informacji z Systemu do otoczenia za pomocą skryptów ASCII. Zapewniają one dostęp do wszystkich standardowych funkcji i możliwości odbiornika, nie uwzględniają natomiast specyficznych rozwiązań sprzętowych zastosowanych przez producenta. Transfer danych do i z odbiornika odbywa się poprzez łącze szeregowe RS-232 w formacie 8n1, czyli 8-bitowa ramka danych, brak bitu parzystości i jeden bit stopu. Kompletna ramka danych składa się z 10 bitów, ponieważ zawsze na jej początku występuje bit startu Zgodnie z zaleceniami standardu NMEA-0183, szybkość transmisji danych powinna wynosić 4800bodów [9]. Odpowiada to prawie w pełni transmitowaniu czasu sprzętowego, którego ramkę przedstawia rys.2
Rys.2. Podstawowa ramka danych w standardzie NMEA-0183
Ciąg odebranych danych dotyczy przede wszystkim wartości czasu oraz pozycji odbiornika. Przykład ramki danych wygląda następująco:
@ 0 4 0 9 1 6 1 4 4 9 1 7 N 5 2 2 1 2 2 5 E 0 1 6 5 5 7 5 6 g 0 0 9 + 0 0 0 9 6 E 0 0 0 0 N 0 0 0 0 U 0 0 0 0 ;
Znaczenie wykorzystywanych znaków jest następujące:
2 – 7 – data w formacie rr_mm_dd, tj.
0 4 _ 0 9 _ 1 6 ;
8 – 13 – godzina w formacie gg:mm:ss, tj.
14:49:17;
14 – oznaczenie szerokości geograficznej, tj.
północnej N;
15 – 21 – szerokość geograficzna w formacie 52°21,225’;
22 – oznaczenie długości geograficznej, tj.
wschodniej E;
23 – 30 – długość geograficzna w formacie 016°55,756’;
Do uzyskania pełnego czasu sprzętowego brakuje jeszcze znacznika określającego właściwy moment deklaracji danych ze znaków 2-13 ramki NMEA-0183.
Pełny czas sprzętowy wymaga więc również pewnych dodatkowych procedur. System GPS generuje impuls 1pps, który może pełnić funkcje znacznika.
Bezpośrednie korzystanie z sygnału GPS umożliwia uzyskanie znacznie lepszych dokładności niż te dostępne w protokole NTP. Obecnie przy wyłączonym sygnale zakłócającym S/A dokładność transferu czasu w szerokim przedziale czasu obserwacji można ocenić na nie gorszą niż 100ns.
7. SERWER CZASU
W przedstawionych tu badaniach źródłem sygnału czasu jest System GPS synchronizujący opracowany w IET Serwer czasu TS. Serwer ten stanowi podstawowy element Systemu dystrybucji sygnału czasu w sieci telekomunikacyjnej [3]. Działanie jego polega na wykorzystaniu uśredniających własności cyfrowej pętli fazowej do stabilizacji czasowej położenia impulsu 1pps i stworzenie pełnej ramki zawierającej sygnał czasu plus uśredniony znacznik. W systemie dystrybucyjnym stworzonym w IET Serwer czasu kontroluje tzw. Kartę użytkownika, która dostosowuje postać danych sygnału czasu do synchronizacji czasu odpowiedniego urządzenia telekomunikacyjnego np.
cyfrowej centrali telefonicznej. Serwer wraz z Kartą użytkownika wytwarza pakiet danych ze znacznikiem co w pełni odpowiada definicji czasu sprzętowego.
Postać ramki jest uzależniona od właściwości interfejsowych urządzenia odbiorczego jakim jest w tym przypadku moduł wejściowy synchronizacji czasu centrali telefonicznej. Przykładową postać transmitowanych do centrali danych przedstawia rys.3.
postać HEX:
16 32 33 45 30 30 30 30 30 35 32 31 34 31 30 31 31 30 34
33 30 30 31 30 30 42 31 04
16 32 33 45 30 30 30 30 30 35 33 31 34 31 30 31 31 30 34
33 30 30 31 30 30 42 32 04 postać ASCII:
.23E000005214101104300100B1 .23E000005314101104300100B2
Rys.3, Rekord transmisji dwóch kolejnych ramek sygnału czasu dla synchronizacji centrali cyfrowej Znaczenie wykorzystywanych znaków jest następujące:
10 –13 minuta i godzina (14:52)
D0 D1 D7 D8
1 2 3 8 9 10
bit startu bit stopu
początek transmisji danych
możliwy początek transmisji
kolejnych danych
14 – 19 dzień, miesiąc i rok (10_11_04) Transmisja tych danych następuje w odstępach minutowych i przebiega z prędkością 2400 bodów.
Jest ona dostępna na złączu wyjściowym konwertera transmisyjnego RS422/RS232 połączonego z Serwerem czasu TS.
7. MODEM TRANSMISJI DANYCH PRZEZ SIEĆ ENERGETYCZNĄ NISKIEGO
NAPIĘCIA
Prace nad przesyłem sygnałów przez sieć energetyczną rozpoczęto ponad 80 lat temu w Stanach Zjednoczonych [4]. Początkowo ich celem było sterowanie urządzeniami energetycznymi na odległość np. typu włącz/wyłącz. Szczególną popularność zdobyły takie urządzenia do monitorowania niemowląt, gdzie nadajnik podłączony do gniazdka elektrycznego w jednym pomieszczeniu (np. sypialni dziecka) przekazywał sygnał po sieci elektrycznej wewnątrz domu do odbiornika podłączonego do gniazdka w innym pomieszczeniu.
4.1 Budowa modemu sieciowego
Obecnie jest wiele modemowych układów scalonych realizujących transmisję danych przez sieć energetyczną [10]. Do zbadania możliwości przesłania sygnału czasu wybrano zbudowany w ramach prowadzonej pracy dyplomowej układ ST7537.Jest to moduł oparty na modulację FSK, więc zapewniający stosunkowo duża odporność na zakłócenia. Wygląd układy scalonego przedstawia rys.4.
Rys.4. Moduł ST7537HS1
Charakterystyką układu przedstawia tabela 3 [11].
Tabela 3
Maksymalna szybkość transmisji
2400bps
Rodzaj transmisji Asynchroniczny, szeregowy, półdupleksowy
Rodzaj modulacji Częstotliwościowa FSK
Czułość wejściowa 1 mV
Wbudowane układy Watch-dog Kompatybilność z normą CENELEC EN 50065-1 Rodzaj obudowy PLCC28
Strukturę wewnętrzną układu przedstawia rys.5
Rys.5. Schemat blokowy układu ST7537 28 nóżkowy układ zawiera w sobie znaczną liczbę elementów funkcjonalnych potrzebnych do prowadzenia transmisji sieciowej, stąd liczba elementów zewnętrznych jest niewielka. Sprowadzają się one głównie do transformatorów separujących i elementów rezonansowych. Schemat funkcjonalny całego modemu sieciowego przedstawia rys.6.
Rys.6 Schemat blokowy modemu sieciowego
Zgodnie z widokiem przedstawionym na rys.6 układ jest wyposażony w następujące dodatkowe urządzenia:
Transformator TR1 obniżający napięcie sieciowe do 12V
Transformator TR2 współpracujący z zasilaczem
Zasilacz dostarczający z sieci napięć +5V i +10V
Wzmacniacz do wzmacniania sygnału z układu modemowego
ST7537 układ modemowy
RS/TTL konwerter standardów
LEDy zapewniające sygnalizację stanów modemu
Układy filtrów do kształtowania
charakterystyk częstotliwościowych.
4.2. Działanie modemu
Modem działa w dwóch podstawowych trybach:
W trybie nadawania
W trybie odbioru
Dla przeprowadzenia transmisji potrzebne są dwa modemy, z których jeden jest odpowiedzialny za nadawanie a drugi za odbiór. Układy ST7537 same ustawiają się w odpowiedni tryb, w zależności od postaci sygnałów na linii RS-owej. Każdy z modułów może być w danej chwili tylko w jednym z trybów [11].
4.3. Tryb nadawania
Tryb nadawania uaktywnia się wtedy, gdy na wejściu Rx / Tx pojawi się stan niski. Dla wymogu spełnienia normy EN 50065-1 ciągła transmisja nie może trwać dłużej niż 1s. W związku z tym nawet jeżeli transmisja miała by trwać dłużej, to układ automatycznie przejdzie w stan odbioru. W związku z tym istnieje konieczność ponownego ustawienia wejścia Rx / Tx na czas minimum 2µs. Nadawane dane cyfrowe są podawane asynchronicznie na wejście
TxD i trafiają dalej na wejście modulatora FSK, który tworzy sygnały o zmodulowanych odpowiednio częstotliwościach.
Dla: TxD = 0 , f = 133 , 05 kHz
Dla : TxD = 1 , f = 131 , 85 kHz
Częstotliwości te są tworzone z przekształcenia sygnałów zewnętrznego oscylatora kwarcowego pracującego na częstotliwości 11,0592MHz. Taki zmodulowany sygnał jest w celu ograniczenia widma sygnału wyjściowego podany na wejście filtru pasmowo przepustowego. Taki sygnał trafia dalej do wzmacniacza mocy i dalej poprzez transformator TR1 do sieci energetycznej Cały czas w trybie nadawania wyprowadzenie RxD jest ustawione w stan wysoki.
4.4 Tryb odbioru.
Uaktywnienie trybu odbioru następuje wtedy, gdy na wejściu Rx / Tx pojawi się stan wysoki. Sygnał wejściowy dostarczony do modemu z sieci energetycznej jest doprowadzony do wyprowadzenia RAI, skąd dalej dochodzi do filtru pasmowo przepustowego o szerokości pasma 12kHz i częstotliwości środkowej 132kHz. Następnie ponieważ jego amplituda jest na poziomie miliwoltów sygnał ten podlega 10 krotnemu wzmocnieniu.
Wzmacniacz pełni dodatkowo przy tym rolę symetrycznego ogranicznika amplitudy. Następnie sygnał jest mieszany z sygnałem wewnętrznego generatora i trafia w celu poprawienia stosunku sygnał/szum na wejście kolejnego filtru pasmowo przepustowego o częstotliwości środkowej 5,4kHz. Po
filtracji sygnał jest podany na wejście demodulatora FSK. Dla usunięcia składowej stałej z przebiegu pomiędzy wyjściem filtru pośrednie częstotliwości (wyprowadzenie IFO) i wejściem demodulatora (wyprowadzenie DEMI) jest wprowadzony kondensator.
Aby sygnał pojawił się na wyjściu RxD na wyprowadzeniu CD musi pojawić się stan niski co powinno oznaczać, że układ wykrył sygnał częstotliwości nośnej rzędu 133kHz. Zapewnia to wiarygodność odbieranych danych niestety kosztem czułości. Układ związany z wyprowadzeniem CD ma bowiem charakter progowy. Gdy nośna nie zostanie wykryta wtedy CD ma stan wysoki i na wyprowadzeniu RxD panuje również jedynka. Dla podniesienia czułości dla trybu odbioru jest możliwe obejście tego zabezpieczenia poprzez ustawienie
Tx
Rx / w stan wysoki i jednocześnie TxD = 0 . Taka konfiguracja wejść spowoduje, że sygnał zdemodulowany trafi na wyprowadzenie RxD niezależnie od stanu wyprowadzenia CD co spowoduje , że wyprowadzenie RxD będzie przenosiło dane, które czasami mogą mieć charakter losowy w momentach kiedy nie ma transmisji.
4.5. Połączenie z urządzeniem zewnętrznym
Połączenie z urządzeniem zewnętrznym pośredniczy pomiędzy logiką TTL występującą w układzie modemu i standardem RS umożliwiającym obsługę transmisji na wej/wyj typu COM.
4.6 Wygląd modemu sieciowego.
Moduł sieciowy jest umieszczony w plastikowej obudowie z typoszeregu Bopla o wymiarach 12x18 cm.
Wysokość modułu to 4 cm. Jego wygląd przedstawia rys.7.
Rys.7 Moduł transmisji danych przez sieć energetyczną
5. BADANIA TRANSMISJI SYGNAŁU CZASU
Badanie możliwości transmisji sygnału czasu
dotyczy przede wszystkim sprawdzenia, czy zakłócenia
sieciowe nie spowodują przekłamania sygnałów w
transmitowanej ramce. Źródłem sygnału czasu dla
przeprowadzonego eksperymentu jest sygnał czasu z serwera TS opisanego w punkcie 3. Transmitowane ramki są przedstawione na rys.3. Układ połączeń układu transmisyjnego przedstawia rys.8.
Sieć energetyczna NN
GPS
Oscyloskop RS232
Rys.8. Schemat połączeń układu transmisji sygnału czasu poprzez sieć energetyczną.
W eksperymencie wykorzystano cyfrowy oscyloskop do badania przebiegu sygnału nadawanego przez Serwer TS i sygnału odbieranego przez moduł odbiorczy. Sygnał czasu miał następujące parametry:
prędkość 2400 b/s,
ramka: 1 bit startu, 8 bitów danych (7 ASCII, MSB=0), bez bitu parzystości, 2 bity stopu.
Sprawdzano:
Zasięg transmisji uzyskując właściwe działanie na odległość 3m i 10m.
Wpływ zamiany urządzeń modemowych z nadawania na odbiór, stwierdzając brak wpływu.
Wpływ podłączenia do określonych faz instalacji elektrycznej, stwierdzając brak wpływu.
Postać zarejestrowanych przebiegów sygnałów czasu po stronie nadawania i odbioru.
Wpływ czasu propagacji i stwierdzono brak istotnych dla użytkownika opóźnień propagacyjnych.
Wyniki rejestracji obrazu oscyloskopowego przedstawia rys.9.
Rys.9. Oscylogramy transmisji sygnału czasu
Wykres górny dla sygnału nadawanego
