Annegret Plänitz

Powerline Modem

Als weiterführende Arbeit zur Lehrveranstaltung DSP-Praktikum am Lehrstuhl Nachrichtentechnik der TU-Dresden haben wir uns Mitte 2005 die Aufgabenstellung "Entwurf eines Powerline Modems" gestellt.

Thema

"Entwurf eines Powerline Modems"

Aufgabe

Ziel dieser Aufgabe war die Realisierung einer Powerline-Kommunikationstrecke zwischen zwei digitaler Signalprozessoren (DSPs).
Dies beinhaltete im speziellen, einen beliebigen Text über das 230V-Netzwerk fehlerfrei übertragen zu können. Dabei sollte die Original 230V-Leitung, wie sie in jedem Haushalt vorhanden ist, verwendet werden.
Die Ergebnisse der Arbeit beinhalten neben der Programmierung der DSPs zur Signal-Modulation auch den Entwurf der nötigen Hardware zum Empfang und Einspeisung des Signals.
Theorie Powerline Modem

Theorie Powerline Modem

Verwendete Technologien

  • zwei DSP von TI (TMS320C6711)
  • Code Composer Studio, Programmierung in C
  • Schaltungsentwurf mit Eagle, Herstellung durch Ätzen und Löten

Realisierung

Das obige Bild zeigt die Komponenten unserer Powerline-Kommunikationstrecke. Standard-Steckdosen, die durch das normale Hausstromnetz verbunden sind, stellen die Basis-Übertragungsleitung da.
Vor der Einspeisung des Datensignals (z.B. dem "Hallo Welt"- Textsignal) in das Stromnetz ist eine Netzeinkoppelschaltung geschalten. Diese Netzeinkoppelstufe hat die Aufgabe die Geräte vor der 230V- Spannung aus dem Stromnetz zu schützen.

Nach der Netzeinkoppelstufe kommt die Verstärkerstufe. Je nach Streckenlänge und -beschaffenheit kommt das gesendete Signal stärker oder schwächer am Empfänger an. Damit der DSP mit dem Signal richtig ausgesteuert wird, ist ein selbst regelnder Verstärker davor geschalten, der das Signal für den DSP aufbereitet.

Die DSPs wurden in C mit dem Code Composer Studio programmiert. Die Daten-Übertragung wurde zunächst unter Idealbedingungen simuliert und anschließend mittels Direktverbindung der DPS getestet. Zum Abschluss wurde die Übertragung erfolgreich am 230V Stromnetz getestet.

Platinen Herstellung

Für die Sende- und Empfängerverstärkerstufen wurden Platinen hergestellt. Dazu wurde als erstes am Rechner mit dem Layoutprogramm Eagle aus dem Schaltplan ein Leiterbahnen- Layout manuell geroutet.

Das Leiterbahnen-Layout wurde mit einem Laserdrucker auf Klarsichtfolie gedruckt. Die Folien dienten als Masken für die Belichtung des fotobeschichteten Rohmaterials. Das Rohmaterial musste ca. 15min mit einem Halogenstrahler belichtet werden.

Entwurf am Computer

Belichtung der Platine


Die belichteten Teile der Fotoschicht des Rohmatierials wurden danach durch die Entwicklerlösung (Natriumhydroxid) abgewaschen.
Die entwickelte Platine wurde als nächstes kurz in Wasser abgespült um Reste der Entwicklerlösung zu entfernen. Im anschließenden Ätzvorgang wurden die nicht mehr durch den Fotolack geschützten Bereiche der Kupferschicht weggeätzt.

Entwicklerlösung

Ätzbad


Das nächste Bild zeigt die vier fertig geätzten Platinen. Versuch 1 und Versuch 2 sind fehlgeschlagen. Bei der ersten Platine war die Entwicklerlösung zu stark, dadurch wurde der gesamte Schutzlack abgelöst. Daher zeichneten sich beim Ätzen keine Konturen ab.
Bei Versuch Nummer 2 war die Belichtung zu lang und dadurch wurden ebenfalls zu viele Bereiche weggeätzt, vgl. Pfeil auf dem Bild. Versuch 3 und 4 sind gelungen und wurden weiterverarbeitet.

Geätze Platinen

Gelötete Schaltung von oben


Dazu wurden als nächstes Bohrungen für die Bauteile vorgenommen, dann die Bauteile platziert und angelötet. Die unteren beiden Bilder zeigen die fertige Verstärkerstufe.

Gelötete Schaltung von unten

Schaltung im Gehäuse

Netzeinkoppelstufe

Die Netzeinkoppelschaltung wurde wegen ihrer Einfachheit auf einer Lochrasterplatine aufgebaut. Die unteren beiden Bilder zeigen den Innenaufbau der Netzeinkoppelschaltung und die Netzeinkoppelstufe von außen.

Schaltpläne

Das linke untere Bild zeigt die Schaltung des Sendeverstärkers (linker Teil im Bild) und des Empfangsverstärkers (rechter Teil im Bild). Der Einfachheit halber arbeitet die Schaltung mit nur einer Betriebsspannung und virtuellem Nullpunkt bei halber Betriebsspannung. Der Sendeverstärker besteht aus einem invertierend beschalteten Operationsverstärker (OPV) mit Gegentakt-Endstufe. Der Verstärkungsfaktor ist mittels R6 einstellbar.
Der Empfangsverstärker besteht aus einer ebenfalls invertierenden OPV-Stufe (IC2A) mit einer festen Verstärkung von 35dB in Kombination mit einer automatischen Verstärkungsregelung (AGC). IC2B dient als Rückkopplungsglied mit einstellbarer Verstärkung und realisiert über D3 und C6 die Gleichrichtung des NF Signals vom Ausgang des Empfangsverstärkers. Diese Gleichspannung bewirkt über T3 und R2 mit zunehmendem Ausgangspegel eine stark überproportionale Dämpfung des Eingangspegels am Empfangsverstärker. Das führt zu einem über einen weiten Eingangspegelbereich nahezu konstanten Ausgangspegel, der mit R14 eingestellt werden kann.

Das rechte untere Bild zeigt das Schaltbild der Netzeinkoppelstufe. Die Netzeinkoppelstufe ist ein Hochpass-Filter, der die 50Hz des Stromnetzes möglichst gut dämpft und oberhalb von 10kHz eine geringe Dämpfung hat, um das Signal durchzulassen.
Die Glimmlampe ist gegen den Schutzkontakt geschaltet, um anzuzeigen auf welcher Seite sich die Phase des 230V-Netzes befindet. Dies stellt sicher, dass bei Durchbrennen der Sicherung aufgrund möglicher Fehlfunktionen die Schaltung phasenseitig vom Netz getrennt wird.

Zum Testen der Übertragungsstrecke ohne die DSPs wurde mit Hilfe eines Frequenzgenerators eine Sinusschwingung erzeugt, in das 230V-Netz eingespeist und mit einem Oszillographen detektiert. Das Bild rechts unten zeigt den Schaltungsaufbau des Funktionsgenerators. Der Funktionsgenerator wurde mit Hilfe des Schaltkreises XR2206 gebaut.

Schaltbild Verstärker

Schaltbild Netzeinkoppelstufe

Schaltbild Funktionsgenerator

DSP-Programmierung

Die Programmierung der DPS orientierte sich an dem Aufbau einer gängigen digitalen Übertragungsstrecke, die das unten stehende Bild zeigt.
Die Daten werden in Frames unterteilt, die zur Realisierung der Synchronisation von Empfänger und Sender jeweils am Ende und am Anfang eine Pilotfolge bekommen.
Blockschlatbild Kanalmodell

Blockschaltbild Kanalmodell

Weitere Informationen

Das Projekt wurde im August 2005 begonnen und im Oktober 2006 erfolgreich abgeschlossen.