платформы нижнего уровня

Платформа X10: борьба с помехами и ослаблением сигнала.

: введение : : фильтры нагрузок : : входные фильтры и мосты : : репитеры сигналов : : проект XTB : : наладка сетей X10 :

 

Главной проблемой систем на базе платформы X10 является обеспечение устойчивого, без искажений и потери информации, обмена между устройствами. Этому препятствуют два фактора - ослабление полезного сигнала по мере его распространения по электросети и забивание его помехами, генерируемыми подключенными к электросети потребителями, а также помехами, поступающими по сети извне. Остановимся вкратце на обоих.

Ослабление полезного сигнала.

У многих бытовых электроприборов, в первую очередь у радиоэлектронных устройств - телевизоров, компьютеров, мониторов и пр. - параллельно входам питания установлены фильтрующие конденсаторы, которые на частоте сигнала X10 (120 кгц) могут иметь весьма малое сопротивление и вызывать большой ток в линии и, соответственно, большие потери полезного сигнала. В результате ухудшается соотношение сигнал/шум и возрастает влияние помех, а при падении величины сигнала ниже порога чувствительности приемника прием может вообще отcутствовать. В таких случаях говорят, что устройство поглощает, шунтирует или «отсасывает» полезный сигнал. Наличие в электрической сети такого рода устройств является главным фактором ослабления сигнала, хотя и сама электросеть как линия передачи имеет собственное затухание, а «отсасывать» полезный сигнал, хотя и в значительно меньшей степени, могут и устройства без входных конденсаторов, если их собственное сопротивление на частоте сигнала достаточно мало.

Забивание сигнала помехами.

Протокол X10 на физическом уровне предусматривает дискриминацию принимаемого сигнала по трем признакам, которые призваны отличить полезный сигнал от помехи:

• по амплитуде самого сигнала - больше/меньше порогового значения;
• по числу принятых импульсов в окне приема - также больше/меньше порогового значения;
• по моменту приема сигнала относительно временной отметки синхронизации, коей является момент пересечения нуля напряжением сети.

С точки зрения современных достижений в области систем передачи информации такая технология является морально устаревшей. Так, использованная в X10 для кодирования сигнала амплитудная манипуляция несущей (ASK) по показателям помехозащищенности стоит на самой низшей ступени, существенно уступая частотной (FSK), фазовой (PSK) и их разновидностям. Дискриминацию по числу принятых импульсов можно рассматривать как аналог амлитудной со всеми вытекающими. Синхронизация с нулевой фазой сетевого напряжения могла бы повысить помехозащищенность, если бы соответствующим образом на временной оси располагались и помехи. Однако современные импульсные регуляторы мощности вполне могут вступать в работу ваккурат в окнах приема, а прочие источники помех генерируют их, в основном, асинхронно по отношению к частоте питающей сети.

Для повышения достоверности приема данных в условиях сбоев и помех в протоколе X10 на канальном уровне предусмотрена избыточность кода. Кроме того, протоколами X10 Extended и A10 предусмотрена возможность квитирования приема. Однако с современных позиций реализация этих решений неоптимальна и не может кардинально компенсировать низкую помехозащищенность на физическом уровне.

В «продвинутых» модулях X10 используется автоматическая регулировка усиления - AGC (Automatic Gain Control), отсекающая помехи путем настройки порога чувствительности выше уровня помех. Но такое решение эффективно только в том случае, если уровень полезного сигнала превышает уровень помех на величину, определяемую минимально-допустимым соотношением сигнал/шум.

 

Указанные обстоятельства приводят к тому, что для гарантии надежного обмена между устройствами X10 часто требуется установка дополнительных устройств, обеспечивающих усиление сигнала, нейтрализацию ослабляющих его нагрузок и фильтрацию помех. Для этой цели выпускается целый ряд устройств - фильтры нагрузок, входные фильтры, мосты, повторители и др. Они также необходимы для развязки систем X10 соседних объектов от взаимовлияния. Рассмотрим эти устройства более детально на конкретных примерах.

 

Что касается видов помех, присутствующих в силовой домашней сети, их параметров и происхождения, то они на сегодняшний день подробно и всесторонне исследованы и регламентированы стандартами. На эту тему существует большое число публикаций, в т.ч. связанных с проблематикой передачи информации по силовым сетям в системах домашней автоматики. Детальное рассмотрение проблематики помех в домашних электросетях, включая их классификацию, математические модели, частотные характеристики, нормы электромагнитной совместимости и пр., представляет весьма объемную и разветвленную задачу и в этом обзоре не предусмотрено.

 

 

Фильтр нагрузки включается между нагрузкой и электросетью. Его задача - снизить в сети уровень помех, генерируемых потребителем, и повысить его входное сопротивление на частоте полезного сигнала. «Классикой жанра» является фильтр XPPF, входящий в состав базового комплекта X10 Pro (рис.1).

Рис.1 Фильтр X10Pro XPPF

 

Вилка фильтра вставляется в розетку, а в его гнездо вставляется вилка потребителя. Данный фильтр предназначен для бытовой радиоэлектронной аппаратуры с импульсными источниками питания - компьютеров, мониторов, телевизоров, видеоплееров, модемов и пр. В контексте настоящего обзора он представляет лишь исторический интерес как один из первых образцов. В документации на него вид и параметры частотной характеристики не оговорены, а его схема в сети не обнаруживается, поэтому для понимания принципов функционирования и реализации фильтров платформы X10 рассмотрим другие образцы. Наиболее показательной является информация по фильтрам Leviton 6287 и Leviton 6288 (в настоящее время не выпускаются), а также FilterLinc 1626 фирмы SmartLabs Inc., в т.ч. применяемый в составе ее платформы Insteon.

Рис.2 Фильтры Leviton и FilterLinc

 

На рис.3 приведена схема фильтра Leviton 6288 (источник www.idobartana.com) и его амплитудно-частотная характеристика, полученная путем моделирования в программе Elsie. Данный фильтр представляет собой трехзвенный фильтр низких частот. Затухание на частотах выше 100 кГц у него составляет более 60 дб, поэтому такой фильтр может выполнять и функции фильтра радиопомех. Входное сопротивление фильтра на частоте 120 кГц при изменение емкости нагрузки в пределах от 0 до 1 мкф находится в диапазоне 80 - 85 Ом, т.е. он полностью нейтрализует шунтирующее действие конденсаторов, которые могут быть установлены параллельно входам питания потребителей.

Рис.3 Схема и расчетная АЧХ фильтра Leviton 6288

 

К категории фильтров нижних частот также относятся и фильтры AF300 фирмы Advance Control Technologies. В то же время широкое распространение получили режекторные (нотч) фильтры, подавляющие сигналы в узкой полосе в районе центральной частоты сигнала X10. К данной категории относится указанный выше фильтр Leviton 6287, а также его аналог FilterLinc 1626. Схема и АЧХ данных фильтров приведены на рис. 4.

Рис.4 Схема и вариант расчетной АЧХ фильтров Leviton 6287/FilterLinc 1626

 

Преимуществом фильтра такого типа является его существенно более высокое входное сопротивление (на порядок и более), что снижает нагрузку для полезного сигнала. Однако он обеспечивает и существенно меньшее подавление помех (максимум около 46 дб) и гораздо более чувствителен к параметрам элементов, вследствие чего, очевидно, требует настройки.

Приведенная на рис. 4 АЧХ расчитана из условия настройки обоих контуров фильтра на одну и ту же центральную частоту 120 кГц. При такой настройке в случае ухода частоты X10 в пределах допуска +/- 2 кГц гарантированное подавление помех снижается до 14-16 дб при большой неравномерности в полосе подавления. Поэтому следует предположить, что контура настраиваются с разносом частот для получения гребенчатой характеристики фильтра. Неравномерность характеристики при этом должна значительно уменьшиться, но гарантировнный коэффициент подавления в полосе будет существенно ниже. Например, для фильтров FM10 Marmitek/Haibrain гарантируется подавление 14 дб, при этом по данным сайта x10modules.com полоса подавления по уровню -18дб составляет 20 кгц.

Рис.5 АЧХ фильтра FM10 (с сайта x10modules.com)

 

К категории режекторных фильтров относится и фильтр AF120 фирмы ACT, который, если верить документации, имеет коэффициент подавления сигнала 30:1 в полосе от 80 до 200 кГц, а также фильтр XPF линейки X10 Pro. Предположительно, сюда же можно отнести и фильтры EF-203/MF203 отечественного производителя Разумный Дом

Кроме указанных двух типов фильтров существует еще один - шунтирующего типа, включаемый параллельно входам источника помех или приемника X10 и представляющий собой параллельный резонансный контур, настроенный на частоту сигнала X10. На частоте X10 такой контур имеет большое сопротивление и не влияет на амплитуду сигнала. По мере удаления от центральной частоты сопротивление контура начинает снижаться и он начинает шунтировать сигнал, снижая тем самым уровень помех. Примером такого фильтра может служить фильтр XPNR Noise Reducer линейки X10 Pro. Однако данный фильтр не может изолировать от сети емкостную составляющую нагрузки, поэтому используется при ее отсутствии, в основном для электромоторов, люминисцентных лам и низковольтных ламп с электронными трансформаторами (рис. 6).

Рис.6 Применение фильтра XPNR

 

 

Задачей входного фильтра является, в первую очередь, развязка сетей домов и квартир по сигналам X10 с целью устранения возможного взаимовлияния их систем автоматики, поэтому такие фильтры часто называются блокирующими (blocking). Блокируя передачу сигналов X10 эти фильтры тем самым еще и нейтрализуют емкостную нагрузку, которая может присутствовать во внешних цепях. В их функции может входить и фильтрация внешних помех, а также организация мостов между фазами для передачи сигнала X10 в трех- и двухфазных (сплит-фазных) системах. Существуют также мосты, не объединенные с входными фильтрами. Необходимость в мостах обусловлена тем, что передача сигналов X10 из одной фазы в другую через электросеть сопряжена с большим затуханием.

По входным фильтрам технической информации в Сети еще меньше, чем по фильтрам нагрузок, поэтому насчет их реализации и частотных характеристик можно лишь строить предположения. Классическим представителем данной категории является трехфазный фильтр - мост PZZ01, который входит в линейку X10 PowerHouse/X10 Pro, а также его клон Leviton 6284. Фильтр блокирует прохождение сигналов X10, а также снабжен функциями пассивного моста для передачи сигналов X10 между фазами. Он расчитан на ток до 200 А и инсталлируется в сеть путем пропускания провода нейтрали через его сердечник и подключения клемм N, L1 - L3 (см. схему на его корпусе). Электрическая схема фильтра и информация по АЧХ в Сети не обнаруживаются.

Рис.7 Трехфазный входной фильтр-мост PZZ01

 

Примером однофазного входного фильтра с функциями моста может служить фильтр - мост FD10 Marmitek/Haibrain (рис. 8). Он блокирует прохождение сигнала X10 и может применяться в многофазных сетях. Подавление на частоте 120 кГц при изменении тока от максимума до нуля изменяется от 15 до 20 дб, ширина полосы подавления по уровню 3 дб - 10 кГц, входное сопротивление - 20 ом, максимальный ток нагрузки - 63 А. По данным параметрам фильтр FD10 относится к категории режекторных и можно предположить, что его схема идентична схеме вышеприведенных фильтров Leviton/FilterLinc. Потери сигнала в режиме моста составляют не более 2 дб.

Рис.8 Входной фильтр-мост FD10

 

Отечественной компанией Разумный Дом выпускается трехфазный малогабаритный мост DF3 для установки на DIN-рейку.

Для передачи сигнала между фазами в пассивных мостах используются, как правило, высокочастотные трансформаторы, включаемые через разделительные конденсаторы. Они также могут иметь дополнительные резонансные цепи для подавления помех вне полосы сигнала X10.

 

 

 

 

Задачей репитера является буферизация и усиление полезного сигнала. Репитеры чаще всего используются в качестве мостов. Наиболее известными в этой категории являются XPCR X10 Pro, FKX40 Marmitek/Haibrain и мосты-репитеры фирмы ACT серий CA и CR. Все они обеспечивают двунаправленную передачу данных между фазами, при этом выбор задействованных в обмене фаз у FKX40 может программироваться. Репитеры CA000/CA200 и CR134/CR334 дополнительно имеют входы отдельной низковольтной сигнальной линии SCC (Signal Carrying Conductor), по которой могут получать команды для ретрансляции.

Рис.9 Мосты - репитеры

 

Репитеры ACT серии CA построены на основе усилителей и обеспечивают синхронную ретрансляцию пакетов. Репитеры серии CR построены на базе логических контроллеров. Они позиционируются как «интеллектуальные» и имеют набор программируемых опций, в т.ч. назначение приоритетов сигнальных линий (фаза или SCC), трансляцию команд Preset Dim и Extended Code 1, запрет/разрешение двойной трансляции (repeat repeated), а также прием сигналов с фазовым сдвигом 30 градусов. Ретрансляция пакетов происходит путем наложения принятого и усиленного первого пакета на следующий за ним дублирующий (см. Phil Kingery 120/240v Residential Coupling и Dim/Bright Commands and Coupler-Repeaters). Более подробно указанные режимы ретрансляции мы попытаемся разобрать отдельно при анализе протокола A10.

Рис.10 Структурные схемы мостов-репитеров (с сайта www.hometoys.com)

 

Кроме репитеров-мостов в номенклатуре X10 Xanura/Marmitek/Haibrain присутствует еще один интересный репитер - микромодуль SVX10. Он предназначен для повторения сигнала в той же линии, к которой подключен. Это бывает необходимо для локального улучшения соотношения сигнал шум в месте установки приемника или их группы, либо для усиления сигнала в длинных линиях. Репитер включается между фазой и землей и ретранслирует пакеты с разделением во времени аналогично описанным выше репитерам ACT серии CR.

Рис.11 Репитер SVX10 Xanura/Marmitek/Haibrain

 

 

Отдельный интерес представляет проект XTB компании JV Digital Engeneering Джеффа Вольпа (Jeff Volp). XTB представляет собой репитер с мощным выходом, обеспечивающим размах сигнала X10 на уровне 20В. Это прибор решает задачи повышения уровня сигнала X10 и улучшения соотношения сигнал/шум, так сказать, в лоб. На канальном уровне он использует тот же принцип ретрансляции, что и описанные выше репитеры ACT серии CR и Marmitek/Haibrain SVX10, т.е. принимает первый из дублированных пакетов и выдает его усиленным в линию параллельно со вторым. Его отличительной особенностью является трансформаторный источник питания, который, в отличие от простейших источников на балластных конденсаторах, обычно применяемых в модулях X10, может обеспечить гораздо большую мощность, что и позволяет выдать в линию сигнал с размахом в 20В. Кратко история создания серии устройств XTB описана Джеффом Вольпом на HomeToys.com в статье The XTB - Amplify and Repeat any X-10 Signal.

Устройства поставляются как в виде готовых изделий, так и в виде комплектующих для сборки. ПО поставляется зашитым в PIC-контроллер, его код является закрытым, т.е. для обновления версии надо приобретать новый контроллер с прошитой новой версией ПО.

Рис.12 Компоненты проекта XTB

 

Проект включает несколько модификаций собственно репитера - XTB, XTBR, XTB-IIR, а также ряд сопутствующих компонентов - фильтры нагрузок XTB-F10/F15, интерфейсные модули XTB-232 и XTB-523, модуль активного подавителя помех XTB-ANR, представляющий собой внешний усилитель с автоматической регулировкой усиления (AGC) для модулей X10, у которых AGC не предусмотрена, а также отладочные средства - XTBM X10 Signal Meter и XTBM-Pro X10 Signal Analyzer. Электрические схемы на компоненты в открытом доступе не обнаружены.

 

Основной рекомендацией по поиску и нейтрализации источников помех и ослабления сигнала в сетях X10 является использование классического «метода тыка». Здесь он заключается в том, что первоначально отключают все нагрузки, а затем начинают их подключать по одной до проявления «глюка», после чего проверяют систему уже при подключении данной нагрузки через фильтр. Такой метод весьма нагляден и доступен для неспециалистов. В то же время для глубокой профессиональной диагностики и выработки обоснованных инженерных решений требуется получение объективной картины по помехам и проведение различных тестов. Для этих целей выпускается достаточно большая гамма сервисных устройств - простейшие адаптеры для осциллографов, измерители уровня сигнала X10, генераторы тестовых команд, различные многофункциональные тестеры и анализаторы и пр. Их использование не ограничено вопросами борьбы с помехами и ослаблением сигнала, поэтому их рассмотрение, в т.ч. в совокупности с методиками наладки и диагностики сетей X10, целесообразно вынести в отдельную публикацию.

 

Другие статьи проекта «Умный Дом в разрезе», имеющие отношение к теме «платформа X10»:

# платформа X10: общий обзор

# платформа X10: средства наладки и диагностики

* * * * *

 

 

Опубликовано 11.03.2015. Последнее изменение - нет.

© Janto 2015 Все права защищены