海底电力线通信的方法和调制解调器的制作方法

专利名称：海底电力线通信的方法和调制解调器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于海底电力线通信例如用于经由海底电力线的电信号传输二进制数据的方法和调制解调器。
背景技术：
海底电力线通信(subsea power line communication)是特定形式的水下通信。优选地，所述海底电力线通信被用于勘探和开采位于海床的气和油田。海底通信例如被用于在干舷控制点(topside control site)和海底井口(wellhead)之间传输各种数据。采用到井口或者其它电子装置的电子通信勘探或者开采的气和油田有时被称作“电子场 (e-field, electronic field)，，。在现有技术中，描述了用于海底通信的不同技术。一方面，有有线的电或者光连接，另一方面有无线的连接。有线连接可以被细分为第一组和第二组，所述第一组提供与电力线分离的电子或者光连接的通信线路，第二组利用电力线用于电子通信。在后一种情况下，有利地，不需要单独的通信线路。例如在US 2005/0243983 Al中，描述了用于从导体接收数据和发射数据到导体的调制解调器。所述调制解调器包含用于发射数据到所述导体的输出驱动器、用于从所述导体接收数据的接收器和用于使接收器输入端的阻抗与导体的阻抗相匹配的阻抗匹配装置。输出驱动器的增益、接收器的增益和接收器输入端的阻抗在所述调制解调器处可调节。所有熟知的用于海底电力线通信的调制解调器使用某种频移键控调制(frequency shift keying modulation)技术,允许高达 19200 bit/s 的比特率和高达约100 km的工作范围。为此目的，熟知的调制解调器使用包含电子信号用的低通滤波器和已调制的二进制数据用的高通滤波器的双工器，分别过滤出超过和低于100 kHz的频率。

发明内容
本发明的目标是说明一种用于海底电力线通信的方法和调制解调器，借助其，以明显较高的比特率和较大的工作范围通信是有可能的。所述问题通过包含在权利要求I中规定的特征的方法和通过包含在权利要求11中规定的特征的调制解调器解决。本发明有利的实施例在从属权利要求中规定。为了本发明，可以理解，每当声明与调制相关的时候，可替代地或者附加地，可以相应地与解调相关。本发明提议，使用正交频分复用(OFDM(orthogonal frequency divisionmultiplexing))尤其在适当的调制解调器中将二进制数据调制到海底电力线的电信号上。根据本发明，优选地，在两个通信调制解调器(其中一个在海床处和另一个在干舷处)中都执行OFDM。这样，例如可以在海底电子单元和干舷控制点之间提供高达3 Mbit/s的高比特率的点对点连接。在OFDM (其本身从电视广播中公知)的情况下，发射调制解调器发送多个不同的正交频率，也称载波频带或者信道。假如两个载波频带关于其相对相位关系是相互无关的，那么两个载波频带据说是正交的。所述二进制数据被调制到所谓OFDM符号形式的电信号上。将OFDM用于海底电力线通信带来几个优点。不同的载波频带在频率方面可以相互接近，因而使得高的频谱效率成为可能，允许高的总比特率。此外，OFDM允许容易地过滤出噪声。假如某个频率范围遇到干涉，那么可以以较慢的比特率运行相应的载波频带或者甚至可以将其禁用。这样，可实现高达200km的高工作范围。此外，通过将合适数目的载波频带分配到上行和下行传输，可以按需调整相应的比特率。在优选的实施例中，在从2kHz到400kHz的间隔内的频率范围被用于0FDM，也即所 述经调制的二进制数据。有可能使用与所述间隔一样宽或者比所述间隔窄的频率范围，例如IOkHz到400kHz。所述实施例为OFDM提供宽频带，因此使得大量载波频带成为可能，因而使得高比特率成为可能。与现有技术对比，这尤其是通过使用低于IOOkHz的频率实现。因此，宽带传输是可能的，引起较高的比特率。上限400kHz减少了由开关电源引起的高频噪声和其谐波以及从干舷源所拾取的噪声。此外，海底电缆衰减在高于400kHz的频率处是闻的。有利地，所述电信号通过低通滤波器，经调制的二进制数据通过带通滤波器。优选地，所述滤波器包含在调制解调器的双工器单元中。对于最佳可达信号，带通滤波器允许通过从2kHz到400kHz的频率。低通滤波器允许在海底电力线上叠加调制解调器信号之前，切断来自于干舷和海底电源的低频噪声的干扰。优选地，低通滤波器从2kHz开始弯曲并且向下直到O Hz。在优选的实施例中，在所述频率范围之内使用10到200个单独的载波频带。假如使用很多载波频带，每个载波频带可以以慢比特率工作。因此，所传输的OFDM符号的持续时间可能是比较长，从而降低传输对脉冲噪声的灵敏度。因此可以增加工作范围。由于大量载波频带，依然可以达到高的总比特率。优选地，所述单独载波频带中的至少一个的增益被动态调整。这样，甚至带有强噪声的弱载波频带也可以被用于传输。为了最小传输误差，在利用所连接的伙伴调制解调器根据的训练序列中，所述载波频带中的至少一个根据可预先定义的阈值被分类成可用的或者不可用的。优选地，所述载波频带中的被分类为不可用的那些载波频带被屏蔽。在有利的实施例中，与所述二进制数据并行地，诊断数据在所述备用载波频带(spare carrier band)中被调制到所述电信号。这允许在调制解调器正常工作期间的诊断，而不限制实际二进制有效载荷数据的可用带宽。在改进的实施例中，经由以太网连接，所述二进制数据从电子单元获得或者被发送给该电子单元。相应的调制解调器提供至少一个以太网连接。这使得高比特率对于外部连接成为可能。优选地，这种调制解调器包含用于提供所述以太网连接的精简指令集中央处理器(redeced instruction set central processing unit)。在这种改进的实施例中,优选地，经由所述电力线商定接收模式或者发射模式。这使得通过视需要交替传输方向而能够在两个调制解调器之间提供全双工通信。由本发明获得的优点特别是，与现有技术的调制解调器相比，大大改善了可能的传输比特率和可能的工作范围。


接下来，借助于几个图更详细地说明本发明。
图I示出根据本发明的调制解调器的方框图。图2以示意性的侧视图示出所述调制解调器和其双工器。图3示出所述双工器的方框图。图4示出所述双工器的电路图。图5示出在调制解调器加电后调制解调器阶段的流程图。图6示出初始化阶段的流程图。图7、8示出提供以太网连接的另一个调制解调器的方框图。
具体实施例方式
在所有图中，相同的部分用同样的参考符号标记。图I示出用于经由海底电力线2与电子单元3 (例如控制海底电子场(e-field))通信的调制解调器I的示例性方框图。电力线(power line) 2也称作脐带(umbilical)。调制解调器I包含用于在电力线2和电子单元3之间数据通信的接收路径4和发射路径5。更详细地，所述调制解调器I包含现场可编程门阵列6 (FPGA)、数字信号处理器7(DSP)、模数处理线路8和数模处理线路9。处理线路8和9都经由差分接口(未示出)与双工器10连接并且与现场可编程门阵列6连接。借助于双工器10，调制解调器I与海底电力线2可连接。此外，现场可编程门阵列6提供两个独立双向外部串行接口 11和12，例如用于二进制有效载荷数据的与所谓的PR0FIBUS可连接的一个RS-485连接11，和用于诊断数据的一个 RS-232 连接 12。另一方面，现场可编程门阵列6从自RS-485连接11所获得的二进制数据和如有必要从在发射路径5上自RS-232连接12获得的诊断数据创建OFDM调制信号RF。所述数据被作为OFDM调制信号RF调制到电力线2的电信号EMdKF上。另一方面，现场可编程门阵列6对经由双工器10从电力线2获得的OFDM调制信号EMdKF解调成接收路径4上的二进制有效载荷数据并且如有必要解调成诊断数据，所述有效载荷数据和诊断数据分别被输出到RS-485连接11和RS-232连接12。因为对于正交频分复用计算成本高，所以现场可编程门阵列6将数字信号处理器7用于调制和解调。具有程序闪存(program flash) 13和数据存储器14的合适的数字信号处理器7在商业上是可得到的。数字信号处理器7经由包含编程寄存器的接口 15与现场可编程门阵列6连接。通过时钟锁相环16，接口 15以48 MHz与电压受控振荡器17的参考频率(例如2MHz)同步。
对于OFDM调制和解调，调制解调器I使用例如195个单独的载波频带，也即信道，频率范围从IOkHz到400kHz。在从2kHz到400kHz的间隔之内的其他频率范围也是可能的。特别地，运营商可以视需要分配或者封闭特定的载波频带。对于每个载波频带，可以使用熟知的调制技术QPSKU6-QAM或者64-QAM中的一项。调制解调器I自动为特定的调制选择最佳选择。然而，运营商可以设定最大星座(maximum constellation)。调制解调器I为每个载波频带测量信噪比(SNR)并且分配功率以便最大化传输速率。因此，所述调制解调器I提供高达3 Mbit/s的比特率和高达200km的工作范围。RS-232连接12的最大比特率为 115200 bit/s。双工器10能够以这种方式将射频调制解调器I连接到电力线2的两个端，使得两个调制解调器I能够相互通信，而电力线电缆又被用于功率分配。为此目的，双工器10维持电力线2的电信号E的信号阻抗。双工器10 (为OFDM调制解调器I的部分)被设计用于在干舷和海底控制系统之间的点对点连接。双工器10提供与其上行电路6到9相似的带宽或者比其大的带宽，以便不失真地传输调制信号RF。双工器10紧凑地布置在调制解调器I中。图2示意性地示出双工器10的部件、例如两个变压器18是如何与印刷电路板19 (简称PCB)的部件、例如现场可编程门阵列6和数字信号处理器7无接触地交替。两个变压器18很紧凑并且立在印刷电路板19下侧；所述IC部件、例如现场可编程门阵列6和数字信号处理器7立在印刷电路板19的下侧和/或者上侧。所述部件被安装在例如单个六层印刷电路板19的两侧。因此，整个调制解调器I很紧凑，因为其物理尺寸对于海底控制系统应用而言必须最小。图3示出双工器10的方框图，包含用于电信号El、E2的低通滤波器20和用于经调制的二进制数据的带通滤波器21。双工器10对于海底和干舷调制解调器I是统一的。在干舷双工器10的情况下，具有电信号El和E2的干舷电子单元3的电源22连接在方框图的右端。射频信号RF从现场可编程门阵列6利用所谓的OFDM电路6至9被输入，也即所谓的经调制的二进制数据。然后，OFDM调制的电功率信号ElmMffiF、E2m(KffiF被导向在方框图左侧的海底电力线2。用于海底的双工器10接收在方框图左侧的OFDM调制的电功率信号Em(KffiF。代表经调制的二进制数据的射频信号RF由带通滤波器21提取出来，所述带通滤波器21连接到现 场可编程门阵列6的OFDM电路。海底电源22连接在方框图的右侧。低通滤波器20从电源22中过滤噪声避免被馈送到海底电力线2通信部分。带通滤波器21允许从10 kHz到400 kHz的频率通过。在图4中，描述了双工器10的电路图。与图3相比，双工器10的电路被提供在左侦U，其中电功率信号Em()dKF1、Em(KffiF2与经调制的二进制数据信号相组合。射频信号RF被输出到在底部的现场可编程门阵列6的OFDM电路。电源22连接在右侧用以低通频率滤波。电源侧滤波在从2 kHz到5 kHz的范围内提供大于45db的差模衰减(differential mode attenuation)并且在从 5 kHz 到 500 kHz 的范围内提供大于 70dB 的差模衰减。在2 kHz和500 kHz之间的共模衰减(common mode attenuation)大于80dB。信号侧滤波在从2 kHz到500 kHz的范围内提供小于2db的差模衰减。在2 kHz和500 kHz之间的共模衰减大于60dB。对于2 kHz到5 kHz，群时延大于75 μ s,并且对于
5kHz到500 kHz，群时延小于25 Hs。
在图5中，在被供电之后，示出调制解调器I所经历的不同阶段。有四个阶段力口电、初始化、训练序列和正常工作。在加电阶段期间，设置在数字信号处理器7中的持久性参数并且适当地切换从外部显示信息的发光二极管(LED,未示出)。持久性参数包括例如调制解调器类型、调制解调器系列号和硬件修改、OFDM保护间隔、PR0FIBUS传输率、可用输出功率、接收(Rx)增益、Rx衰减、信噪比容限、下行链路信道模式和上行链路信道模式。在加电阶段之后，调制解调器I自动启动初始化阶段。初始化包含不同的状态，所述状态在图6中示出。在初始化阶段期间，在给定的时刻，调制解调器I从不使用多于一个的信道。在“Megasync”和“BestChannel”状态，调制解调器I从最低活跃信道顺序地向最高活跃信道传输。在"CommParam"状态，调制解调器I仅仅在一个信道上传输。在"Megasync"状态，调制解调器I顺序地在每个活跃信道上发送可定义的信号序列。远程调制解调器(未示出)接收所述"Megasync"信号并且执行以下步骤。假如所测的信号电平低，则远程调制解调器I自动尽可能多地增加Rx增益。在削波之前容许大约90dB的信号电平。假如信号电平太高(发生削波)，远程调制解调器I降低Rx增益直至削波不明 显。总的Rx增益分成两部分，即Rx增益和Rx衰减。Rx增益可以从O至24dB被调节。Rx衰减可以被启用，这导致IldB衰减或者被禁用，这导致OdB衰减。因此，可以达到24+ll=35dB的总增益。缺省地，所述增益被设为最大值。接着，远程调制解调器I为每个信道测量信噪比的值。然后，具有最高信噪比值的信道被指定为“最佳信道(Best Channel)”。干舷调制解调器总是启动"Megasync"，而海底调制解调器总是进入"Megasync"接收状态。假如在两次尝试之后，干舷调制解调器还没有从海底调制解调器接收到任何〃Megasync〃,则适当的LED被点亮以用信号表示脐带破裂(umbilical break)。一旦从海底调制解调器接收到"Megasync"，则清除所述LED。一旦调制解调器进入"Megasync"状态，初始化LED被点亮。在〃最佳信道(BestChannel)"状态，调制解调器I顺序地在每个活跃信道上发送关于最佳信道的信息。CRC8校验和码被应用到"BestChannel"消息。在"CommParam"状态，调制解调器I传输要被应用在训练序列和正常工作阶段期间的关于通信参数的信息。发送哪些参数取决于传输方向和所使用的相应信道。其在下面的表格中描述
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............................................. ...}.....PROFll.BI'S............................ |. ..I可以看出，海底调制解调器为干舷调制解调器执行功率分配，而干舷调制解调器为海底调制解调器执行功率分配。于是，所有可用的输出功率被分配。CRC32码被应用于〃CommParam〃消息。〃CommParam〃消息仅仅在〃最佳信道(Best Channel) 〃上被传输。当完成"CommParam"状态时,清除初始化LED。
当初始化完成时，调制解调器I和远程调制解调器进入训练序列阶段。“训练序列”被传输，以便获得初始信道估计并且测试实际的功率分配和调制星座。在训练序列阶段期间，调制解调器I使用在初始化阶段期间所确定的通信参数。因此，所述调制解调器将占用在初始化期间所确定的频率范围。在成功完成训练序列阶段之后，两个调制解调器都进入正常工作阶段，也就是说，它们开始传送从其PROFIBUS RS-485连接11所获得的二进制有效载荷数据。调制解调器I具有嵌入式逻辑以便最小化延迟。所述逻辑的基础是调制解调器I可以在从连接在RS-485连接11处的PROFIBUS主机接收整个电报之前开始调制和传输PROFIBUS电报到脐带上。同样，在接收端，远程调制解调器可以在从脐带接收整个PROFIBUS电报之前开始传输PROFIBUS电报到其PROFIBUS主机。对何时开始传输PROFIBUS电报的计算基于PROFIBUS比特率(其可定义为调制解调器I的参数)和PROFIBUS电报长度(其由相应电报中的第一字节中给出)。PROFIBUS传输的总要求是，在电报中连续的字节之间不允许字节间间隙。因此，当计算何时开始传输PROFIBUS电报的时候，调制解调器I必须确保该要求。PROFIBUS设备上所配置的PROFIBUS时隙时间和因而部分总线参数必须被配置以便提供由通信调制解调器所增加的额外等待时间(extra latency)。所述调制解调器应该能够以由下面表格所给出的最小时隙时间工作
权利要求
1.用于经由海底电力线(2)的电信号(E，El,E2)传送二进制数据的方法，其中使用正交频分复用(OFDM)将所述二进制数据调制到所述电信号(Em()dKF，ElmodRF, E2modRF)上。
2.根据权利要求I的方法，其中在从2kHz到400kHz的间隔内的频率范围被用于包含所述经调制的二进制数据的射频(RF)。
3.根据权利要求2的方法，其中所述电信号(E，El,E2)通过低通滤波器(20)，具有经调制的二进制数据的所述射频(RF)通过带通滤波器(21)。
4.根据权利要求2或者3的方法，其中在所述频率范围之内使用10到200个单独的载波频带。
5.根据权利要求4的方法，其中所述单独的载波频带中的至少一个的增益被动态调节。
6.根据权利要求4或者5的方法，其中在利用所连接的伙伴调制解调器(I)的训练序 列中，所述载波频带中的至少一个根据可预先定义的阈值被分类成可用的或者不可用的。
7.根据权利要求6的方法，其中所述载波频带中的被分类为不可用的那些载波频带被屏蔽。
8.根据权利要求I到7之一的方法，其中与所述二进制数据并行地，诊断数据在备用载波频带中被调制到所述电信号(E，El, E2 )上。
9.根据权利要求I到8之一的方法，其中所述二进制数据经由以太网连接(24)从电子单元(3)获得或者被发送给该电子单元(3)。
10.根据权利要求9的方法，其中经由所述电力线(2)协商接收模式或发射模式。
11.用于经由海底电力线(2)的电信号(E，El,E2)传送二进制数据的调制解调器(I)，使用正交频分复用用于将所述二进制数据调制到所述电信号(EMdKF，Elffl0dRF, E2ffl0dRF)上。
12.根据权利要求11的调制解调器(I)，包括双工器(10)，所述双工器(10)包括用于所述电信号(E，El, E2 )的低通滤波器(20)和用于包含所述经调制的二进制数据的射频(RF)的带通滤波器(21)。
13.根据权利要求11或者12的调制解调器(I)，使用从2kHz到400kHz的间隔内的频率范围用于具有所述经调制的二进制数据的所述射频(RF)。
14.根据权利要求13的调制解调器(I)，在所述频率范围之内使用10到250个单独的载波频带。
15.根据权利要求14的调制解调器(I)，动态调节所述单独的载波频带中的至少一个的增益。
16.根据权利要求14或者15的调制解调器(I)，利用所连接的伙伴调制解调器执行训练序列，其中所述载波频带中的至少一个根据可预先定义的阈值被分类成可用的或者不可用的。
17.根据权利要求16的调制解调器(I)，屏蔽掉所述载波频带中的那些被分类为不可用的载波频带。
18.根据权利要求11到17之一的调制解调器(I)，与所述二进制数据并行地将诊断数据在备用载波频带内调制到所述电信号上。
19.根据权利要求11到18之一的调制解调器(I)，提供至少一个以太网连接(24)。
20.根据权利要求19的调制解调器(I)，包括用于提供所述以太网连接(24)的精简指 令集中央处理单元(23)。
全文摘要
本发明涉及一种用于经由海底电力线(2)的电信号(E,E1,E2)传送二进制数据的方法和调制解调器(1)，其中使用正交频分复用(OFDM)将所述二进制数据调制到所述电信号(EmodRF,E1modRF,E2modRF)上。
文档编号H04L5/02GK102857261SQ20121039951
公开日2013年1月2日 申请日期2006年7月24日 优先权日2006年7月24日
发明者E.布雷克, V.霍滕, V.斯泰根 申请人:西门子公司