Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2017-12-21T11:52:32Z No. of bitstreams: 1 luisguilherrmedasilvacosta.pdf: 2910682 bytes, checksum: da61cee3e668dc7356aa3ab54ff0c28c (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-12-22T11:58:44Z (GMT) No. of bitstreams: 1 luisguilherrmedasilvacosta.pdf: 2910682 bytes, checksum: da61cee3e668dc7356aa3ab54ff0c28c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-12-22T11:58:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 luisguilherrmedasilvacosta.pdf: 2910682 bytes, checksum: da61cee3e668dc7356aa3ab54ff0c28c (MD5) Previous issue date: 2017 / Esta tese de doutorado apresenta, inicialmente, uma revisão sobre acopladores para power line communication (PLC), utilizados para acoplar o sinal dos transceptores PLC à rede de energia elétrica. As questões predominantes para o projeto de acopladores e, consequentemente, os diferentes tipos de acopladores são discutidos. Uma classificação dos acopladores PLC baseada nos tipos de acoplamentos (capacitivo, indutivo, resistivo e por antenas), níveis de tensão, largura de banda de frequência, modos de propagação e números de conexões com a rede de energia elétrica é apresentada. Em seguida, o projeto de circuitos PLC de acoplamento capacitivo não adaptativos, single input single output (SISO) de baixa tensão para aplicações banda larga e banda estreita são discutidos. O acoplador PLC banda estreita é projetado para a banda de frequência de 9 kHz-500 kHz, enquanto os acopladores banda larga são projetados para a banda de frequência de 1.7-50 MHz, 1.7-100 MHz e 1.7-500 MHz. Além disso, discute-se as especificações e o projeto dos protótipos desses circuitos de acoplamento PLC medindo seus parâmetros de espalhamento. A seguir, é discutida a medida da impedância de acesso da rede de energia elétrica de baixa tensão na banda de frequência 2- 500 MHz, visando apresentar prévio conhecimento da impedância de acesso da rede de energia elétrica no Brasil com base em uma campanha de medição realizada em várias instalações em três cidades brasileiras diferentes. Além disso, é proposto um procedimento para obter um modelo estatístico da impedância de acesso na referida faixa de frequência. Com base em uma série de medidas de impedâncias de acesso da rede de energia elétrica e critérios para a escolha de modelos estatísticos, esta tese sugere duas distribuições para modelar as componentes resistência e reatância da impedância de acesso da rede de energia elétrica. Uma vez que, os parâmetros de tais modelos mudam com a frequência e que a impedância de acesso é um processo aleatório no domínio da frequência, um modelo simples para gerar amostras em função desse processo aleatório, que leva em consideração as distribuições sugeridas, é detalhado. Por fim, é proposto um circuito de acoplamento adaptativo PLC, capacitivo, SISO de baixa tensão. Estes circuitos de acoplamento adaptativos usam três diferentes filtros analógicos passa-baixa com diferentes impedâncias de entrada. A impedância de entrada de cada filtro analógico é projetado de acordo com os valores obtidos através da campanha de medição, e a impedância de saída é projetada para 50 Ω. A escolha do filtro analógico que proporciona melhor casamento de impedância com a rede de energia elétrica é obtido por um microcontrolador, que através de um conversor analógico digital, monitora a tensão fornecida por um circuito que mede a potência dos sinais injetados nos acopladores PLC pelos transceptores PLC. A monitoração da potência é realizada continuamente pelo conversor analógico digital do microcontrolador que escolhe qual o filtro analógico proporciona o melhor casamento de impedância com a rede de energia elétrica e comuta os filtros analógicos através de uma chave de analógica conectando os transceptores PLC a rede de energia elétrica através dos acopladores PLC. Além disso, as medições dos valores do parâmetro de espalhamento S11 confirmam que a componente resistiva da impedância de acesso da rede de energia elétrica apresentou melhor casamento de impedância entre 50 Ω e 100 Ω. Por fim, os valores medidos do parâmetro de espalhamento S12 mostram que a atenuação cresce com o aumento da frequência devido ao comportamento indutivo da rede de energia elétrica. / This work outlines a comprehensive review of PLC coupling circuits, which are required for narrowband and broadband PLC transceivers. Prevailing issues that protract the design of couplers and consequently subtended the inventions of different types of couplers are clearly described. Also, it provides a useful classification of PLC couplers based on the type of physical couplings, voltage levels, frequency bandwidth, propagation modes and a number of connections. Next, the focus is on the design of non-adaptive capacitive, SISO and low-voltage (LV) PLC coupling circuits for both broadband and narrowband applications. The narrowband cover the frequency band 9 kHz-500 kHz, while broadband frequency bands are 1.7-50MHz, 1.7-100MHz and 1.7- 500 MHz. Moreover, it discusses the specification and design of the prototypes of the PLC coupling circuits measuring their scattering parameters. The access impedance of Brazilian in-home, broadband and low-voltage electric power grid in the frequency band 2-500 MHz is taken into account. Based on the use of a measurement setup a large measurement campaign that was carried out in several facilities in three different Brazilian cities is discussed. Also, a procedure to obtain a statistical model of the access impedance in the aforementioned broadband frequency is outlined. Based on a number of measured access impedances and well-known criteria for choosing statistical models, two distributions to model the resistance and reactance components of the access impedance are suggested. Due to the fact that the parameters of such models change with the frequency and the access impedance is a random process in the frequency domain, a simple and effective model to generate samples function of such random process, which takes into account the suggested distributions, is addressed. Finally, adaptive capacitive, SISO and LV PLC coupling circuits are proposed for broadband power line communication. These adaptive coupling circuits use three different analog low-pass filter for impedance matching. This filter is an array of analog low-pass irregular filters that separate the input and output signal into three analog low-pass filters, each one matching the impedance between the electric power grid and PLC transceiver. The input impedance of each filter has a different impedance value, chosen according to the impedance of the measurement campaign, and the output impedance is fixed in 50 Ω for all analog low-pass filter. The choice of the analog filter that provides better impedance matching to the electrical power grid is obtained by a microcontroller, which through an analog-to-digital converter (ADC), measure the voltage provided by a circuit that measures the power of the signals injected into the PLC coupling circuit by the PLC transceivers. The power is continuously measured by an ADC of the microcontroller which chooses which analog filter provides the best impedance matching with the electric power grid and switches the analog filters through an analog switcher connecting the PLC transceivers to the electric power grid through the PLC coupling circuit. In addition, the measured values of the scattering parameter S11 show that the best impedance matching occurs when the resistive impedance component of the access impedance is between 50 Ω and 100 Ω . For the scattering parameter S12 it has been found that the attenuation increases as the frequency increases because of the inductive behavior of the electric power grid.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-02-11T10:56:22Z No. of bitstreams: 1 juandavidvalenciapayan.pdf: 2769602 bytes, checksum: f450fbb83bbe8b4e5a8cdb7c9b4fa338 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-02-26T11:57:12Z (GMT) No. of bitstreams: 1 juandavidvalenciapayan.pdf: 2769602 bytes, checksum: f450fbb83bbe8b4e5a8cdb7c9b4fa338 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-02-26T11:57:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 juandavidvalenciapayan.pdf: 2769602 bytes, checksum: f450fbb83bbe8b4e5a8cdb7c9b4fa338 (MD5) Previous issue date: 2014-03-27 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Esta contribuição descreve uma caracterização estatística da rede de baixa tensão Brasileira residencial como meio de comunicação. As discussões são baseadas em canais estimados obtidos em uma campanha de medição realizada em quatro apartamentos diferentes, com tamanhos que variam de 50 até 90 metros quadrados. Os parâmetros considerados para esta análise são o Root Mean Square Delay Spread, o ganho médio do canal e a capacidade do canal. Para efeitos de comparação com a rede de potencia dos Estados Unidos, a banda de frequência utilizada foi de 1:705 até 30 MHz. A análise relatada mostra que o Root Mean Square Delay Spread e o ganho médio do canal não podem ser modelados como variáveis log-normal. Os resultados obtidos geram dúvidas em relação aos atuais encontrados na literatura, em que se afirma que tanto o Root Mean Square Delay Spread quanto o ganho médio do canal seguem uma distribuição log-normal. Foram medidos também a impedância de acesso e o ruído do canal de comunicação via rede elétrica. Além disso, os conceitos de cooperação para melhorar o desempenho dos sistemas de comunicação via rede elétrica foram analisados, mais especificamente na rede de baixa tensão Brasileira residencial. Para isso, foram analisados a performance dos protocolos de Amplify-and-Forward e Decode-and-Forward, em conjunto com as técnicas de combinação Equal-Gain Combining, Selection-Combining e Maximal-Ratio Combining. A análise sobre os dados medidos cobriram uma faixa de frequência de 1:705 a 100 MHz. Os dados medidos abordam quatro cenários para possíveis localizações do nó Relay. Os resultados obtidos mostram que o Amplify-and- Forward é de aplicabilidade limitada no contexto de comunicação via rede elétrica e o oposto é válido para o protocolo de Decode-and-Forward, principalmente se a probabilidade de erro de detecção de símbolos no nó Relay tende a zero. / This thesis outlines a statistical characterization of the Brazilian In-Home Low-Voltage Electric Power Grid as a communication medium. The discussions are based on estimated channels obtained in a measurement campaign carried out in four different apartments with sizes ranging from 50 up to 90 square meters. The parameters considered for this analysis are the Root Mean Square Delay Spread, the average channel gain, and the channel capacity. For the sake of comparison with the Electric Power Grid in United States, the frequency band ranging from 1:705 up to 30 MHz was set. The reported analysis shows that the Root Mean Square Delay Spread and the average channel gain cannot be modeled as log-normal variables, this cast doubt the current results found in the literature, in which is stated that both the Root Mean Square Delay Spread and the average channel gain follow a log-normal distribution. This was followed by the Power Line Communication access impedance and noise measurements in the In-Home Low-Voltage Electric Power Grid. Additionally, the suitability of cooperation concepts for improving the performance of Power Line Communication systems was analyzed, more specifically in the Brazilian In-Home Low-Voltage Electric Power Grid. For this purpose, the performance of the Amplify-and-Forward and Decode-and- Forward protocols, together with the Equal-Gain Combining, Selection Combining, and Maximal-Ratio Combining techniques were analyzed. The analysis was carried out on the measured data covering a frequency band from 1:705 up to 100 MHz. The measured data addresses four scenarios for possible relay node locations. The attained results show that the Amplify-and-Forward is of limited applicability in the Power Line Communication context and the opposite is valid to the Decode-and-Forward protocol, mainly if the error probability of detecting symbols at the relay node is zero.