Applicability of Power-Line Communications to Data Transfer of On-line Condition Monitoring of Electrical Drives

The research of power-line communications has been concentrated on home automation, broadband indoor communications and broadband data transfer in a low voltage distribution network between home andtransformer station. There has not been carried out much research work that is focused on the high frequency characteristics of industrial low voltage distribution networks. The industrial low voltage distribution network may be utilised as a communication channel to data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors. The advantage of using power-line data transfer is that it does not require the installing of new cables. In the first part of this work, the characteristics of industrial low voltage distribution network components and the pilot distribution network are measured and modelled with respect topower-line communications frequencies up to 30 MHz. The distributed inductances, capacitances and attenuation of MCMK type low voltage power cables are measured in the frequency band 100 kHz - 30 MHz and an attenuation formula for the cables is formed based on the measurements. The input impedances of electric motors (15-250 kW) are measured using several signal couplings and measurement based input impedance model for electric motor with a slotted stator is formed. The model is designed for the frequency band 10 kHz - 30 MHz. Next, the effect of DC (direct current) voltage link inverter on power line data transfer is briefly analysed. Finally, a pilot distribution network is formed and signal attenuation in communication channels in the pilot environment is measured. The results are compared with the simulations that are carried out utilising the developed models and measured parameters for cables and motors. In the second part of this work, a narrowband power-line data transfer system is developed for the data transfer ofon-line condition monitoring of electric motors. It is developed using standardintegrated circuits. The system is tested in the pilot environment and the applicability of the system for the data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors is analysed.

Tuning the design procedures for laser processed microwave mechanics

This research has been focused at the development of a tuned systematic design methodology, which gives the best performance in a computer aided environment and utilises a cross-technological approach, specially tested with and for laser processed microwave mechanics. A tuned design process scheme is also presented. Because of the currently large production volumes of microwave and radio frequency mechanics even slight improvements of design methodologies or manufacturing technologies would give reasonable possibilities for cost reduction. The typical number of required iteration cycles could be reduced to one fifth of normal. The research area dealing with the methodologies is divided firstly into a function-oriented, a performance-oriented or a manufacturability-oriented product design. Alternatively various approaches can be developed for a customer-oriented, a quality-oriented, a cost-oriented or an organisation-oriented design. However, the real need for improvements is between these two extremes. This means that the effective methodology for the designers should not be too limited (like in the performance-oriented design) or too general (like in the organisation-oriented design), but it should, include the context of the design environment. This is the area where the current research is focused. To test the developed tuned design methodology for laser processing (TDMLP) and the tuned optimising algorithm for laser processing (TOLP), seven different industrial product applications for microwave mechanics have been designed, CAD-modelled and manufactured by using laser in small production series. To verify that the performance of these products meets the required level and to ensure the objectiveness ofthe results extensive laboratory tests were used for all designed prototypes. As an example a Ku-band horn antenna can be laser processed from steel in 2 minutes at the same time obtaining a comparable electrical performance of classical aluminium units or the residual resistance of a laser joint in steel could be limited to 72 milliohmia.

Mikroliuskarakenteisen T-resonaattorin käyttö piirilevyn eristeominaisuuksien määrityksessä

Tässä diplomityössä tutkittiin ja kehitettiin edelleen mikroliuskarakenteisen T-resonaattorin käyttöä laajakaistaisessa piirilevylaminaattien dielektrisyysvakion ja häviökertoimen määrityksessä. Työssä perehdyttiin eristeominaisuuksien määrityksessä tarvittaviin laskentamenetelmiin sekä T-resonaattorin toimintaan. T-resonaattorin suunnittelu ja käyttöä varten valitut laskentamenetelmät on esitelty. Työssä suunniteltiin ja valmistettiin mikroliuskarakenteinen T-resonaattorimittausrakenne, jolla määritettiin erään FR-4 -tyyppisen piirilevylaminaattimateriaalin dielektrisyysvakio sekä häviökerroin mittausten ja laskennan avulla taajuuskaistalla 0,5 - 10 GHz. Tuloksia verrattiin muilla käytössä olevilla menetelmillä määritettyihin tuloksiin. Tulosten perusteella voitiin osoittaa, että mikroliuskarakenteinen T-resonaattori soveltuu hyvin piirilevylaminaattien eristeominaisuuksien määritykseen, ja käytetyt laskenta-menetelmät antavat realistisia tuloksia.

ADSL-linjan fyysisen kerroksen testauksen automatisointi

ADSL (Asymmetrical Digital Subsciber Line) on puhelinkaapelia siirtotienä käyttävä nopea Internet-liityntäteknologia, joka on yleistynyt viime vuosina kuluttajamarkkinoilla. Analoginen puhelinverkko on alun perin tarkoitettu puheen siirtoon 0-4kHz:n äänitaajuuskanavalla, mikä aiheuttaa rajoitteita datasiirtoon ylemmillä taajuuksilla. Puhelinverkkojen rakenne vaihtelee alueittain sisältäen erilaisia datasiirtoa häiritseviä tekijöitä. Tämän vuoksi ADSL-päätelaitteilta vaaditaan sopeutumiskykyä vaativiinkin olosuhteisiin. Nykyiset ADSL-standardit eivät vaadi päätelaitteilta riittävää suorituskykyä, jotta luotettava tiedonsiirto onnistuisi myös huonoissa verkko-olosuhteissa. Epäkohdan korjaamiseksi DSL Forum on kehittänyt yhdessä laitevalmistajien, tietoliikenneoperaattoreiden ja komponenttivalmistajien kanssa ADSL-päätelaitteiden yhteensopivuustestaukseen testipaketin nimeltä TR-048. Se on kattava joukko tarkkaan kuvattuja testejä, joissa keskitytään enimmäkseen fyysisen kerroksen testaamiseen. TR-048:aa ei vaadita vielä nykyisissä ADSL-standardeissa, mutta yksityiset laboratoriot ja laitetoimittajat ovat vähitellen ottamassa sitä käyttöön. Tämän työn keskeisenä tavoittena oli tehdä sovellus, jolla automatisoitiin suurin osa TR-048:n sisältämien ADSL-linjan fyysisen kerroksen testeistä. Valmiilla sovelluksella ajetun testikierroksen perusteella arvioitiin sovelluksesta saatua hyötyä ja tuotekehitysvaiheessa olevan Nokia D500 tilaajasolmun suorituskykyä. Työn teoriaosassa esitellään ADSL-teknologiaa ja ADSL-lähetin-vastaanottimen loogista toimintaa.

Laajakaistaverkon topologian visualisointi

Viimeisten vuosien aikana laajakaistaoperaattoreiden laajakaistaverkot ovat nopeiden ja kiinteähintaisten laajakaistaliittymien johdosta kasvaneet suuriksi kokonaisuuksiksi. Kokonaisuuksia hallitaan erilaisilla verkonhallintatyökaluilla. Verkonhallintatyökalut sisältävät suuren määrän eri tasoista tietoa laitteista ja laitteiden välisistä suhteista. Kokonaisuuksien hahmottaminen ilman tiedoista rakennettua kuvaa on vaikeaa ja hidasta. Laajakaistaverkon topologian visualisoinnissa muodostetaan kuva laitteista ja niiden välisistä suhteista. Visualisoitua kuvaa voidaan käyttää osana verkonhallintatyökalua, jolloin käyttäjälle muodostuu nopeasti näkymä verkon laitteista ja rakenteesta eli topologiasta. Visualisoinnissa kuvan piirto-ongelma täytyy muuttaa graafin piirto-ongelmaksi. Graafin piirto-ongelmassa verkon rakennetta käsitellään graafina, joka mahdollistaa kuvan muodostamisen automaattisia piirtomenetelmiä hyväksikäyttäen. Halutunlainen ulkoasu kuvalle muodostetaan automaattisilla piirtomenetelmillä, joilla laitteiden ja laitteiden välisten suhteiden esitystapoja voidaan muuttaa. Esitystavoilla voidaan muuttaa esimerkiksi laitteiden muotoa, väriä ja kokoa. Esitystapojen lisäksi piirtomenetelmien tärkein tehtävä on laskea laitteiden sijaintien koordinaattien arvot, jotka loppujen lopuksi määräävät koko kuvan rakenteen. Koordinaattien arvot lasketaan piirtoalgoritmeilla, joista voimiin perustuvat algoritmit sopivat parhaiten laajakaistaverkkojen laitteiden sijaintien laskemiseen. Tämän diplomityön käytännön työssä toteutettiin laajakaistaverkon topologian visualisointityökalu.

Business potential evaluation of wireless local area networks: Teleoperator’s view

The objective of the thesis was to evaluate business potential of wireless local area networks (WLAN, Wireless LAN). At first, the scope of business potential evaluation of technology was introduced. Next, a general framework of business potential evaluation of technology based on literature was presented. In addition, convergence of cellular networks and data networks was studied in order to get an insight of current situation of mobile telecommunications industry. Finally, wireless local area networks business potential was evaluated. A wireless local area network is a data communication system, which combines data connectivity with mobility and is implemented in unlicensed frequency bands, allowing new business opportunities to emerge. The main markets of WLAN are corporate networks, public area networks and access networks. At the moment the penetration of WLAN terminals is low which derives to low demand of wireless LAN services. In addition, unlicensed spectrum forces the teleoperators to set the service price relatively low. The business potential is in integrating wireless LANs to cellular networks and in offering value added services to end users. The future of wireless LAN is to be complementary network to cellular networks. In this vision cellular networks provide voice and low data services and broadband wireless networks enable multimedia services.

Laajakaistaliitynnät - xDSL-tekniikat ja muut vaihtoehdot

Tietoliikenteen suuria linjoja ovat mm. siirtonopeuksien kasvu, IP-tekniikan yleistyminen ja Internet-liitäntöjen kautta käytettävien palvelujen valtaisa lisääntyminen. Kotien verkkoliitännöissä eräänä haasteena on vielä tarjota kohtuullisilla kustannuksilla suuri liikennöintikapasiteetti, mikä voidaan tehdä usealla eri tavalla. Kotien laajakaistaiseen tulevaisuuteen johtaakin useita polkuja, joita tässä diplomityössä on kartoitettu. Työssä on esitelty erilaisia kotitalouksiin soveltuvia nopeita langallisia ja langattomia liitäntätekniikoita. Painopiste on nykyisessä valtavirrassa, kuparikaapelia käyttävässä xDSL-tekniikkaperheessä ja niihin pohjautuvissa verkoissa mukaan lukien ATM-pohjaiset runkoverkot Käytännön liitäntöjen laatua ja toimivuutta on selvitetty mittaamalla perinteistä ADSL-liitäntää sekä uudempaa tekniikkaa edustavaa SHDSL-liitäntää. Liittymiä mitattiin sekä xDSL-mittarilla että spektrianalysaattorilla. Mittauksissa kiinnitettiin huomiota kupariparien toimintaan, kuormituksen ja häiriöiden vaikutukseen sekä liittymän toimintaan käyttäjän kannalta. Mittauksissa todettiin, että kuparikaapeli sietää hyvin häiriöitä myös uusien tekniikoiden käytössä. Tulevaisuutta kartoitettiin haastattelututkimuksella, josta työhön on koostettu operaattoreiden, konsulttien ja käyttäjien näkemyksiä laajakaistaliitäntöjen ja niiden kautta saatavien palveluiden kehittymisestä. Tehty tutkimus osoittaa, että ADSL-tekniikka hyödyntää hyvin sille varattuja taajuusalueita. SHDSL-tekniikassa voidaan lähettää ja vastaanottaa suuria datamääriä molempiin suuntiin.

Laajakaistainen Vivaldi-antennielementti

Diplomityössä suunniteltiin, rakennettiin ja mitattiin laajakaistainen antennielementti lineaariseen antenniryhmään. Elementti toimii mikroaaltoalueella, ja sen kaistanleveys on noin 4,8:1. Elementti koostuu kaksipuolisesta eksponentiaalisesti taperoidusta rakoantennista eli Vivaldi-antennista ja laajakaistaisesta siirtymästä liuskajohdosta kaksipuoliseen rakojohtoon. Elementin koko pienimmällä käyttötaajuudella on noin 0,31 lambda kertaa 0,34 lambda, josta antennitorven koko on vain noin 0,21 lambda kertaa 0,21 lambda. Elementti suunniteltiin HFSS-simulointiohjelman avulla ja rakennettiin kahdesta erillisestä piirilevystä puristamalla nämä yhteen alumiinisella kehyksellä. Mittauksilla varmistettiin elementin toiminta ja simulointien luotettavuus. Osoitettiin, että elementti voidaan suunnitella simulointiohjelman avulla ja rakentaa työssä käytetyllä tavalla. Osoitettiin myös, että tarvittavaa mitoitussimulointien määrää voidaan vähentää yhdistämällä erikseen mitoitetut rakoantenni ja siirtymä. Lisäksi simuloinnein osoitettiin, että elementti toimii myös ryhmässä ja että sen toimintaa voidaan parantaa kehyksen avulla.

Local Services in a Fourth Generation Mobile Network

Neljännen sukupolven mobiiliverkot kokoaa kaikki tietoliikenneverkot ja palvelut Internetin ympärille. Tämä mullistus muuttaa vanhat vertikaaliset tietoliikenneverkot joissa yhden tietoliikenneverkon palvelut ovat saatavissa vain kyseisen verkon päätelaitteille horisontaaliseksi malliksi jossa päätelaitteet käyttävät omaa verkkoansa pääsynä Internetin palveluihin. Tämä diplomityö esittelee idean paikallisista palveluista neljännen sukupolven mobiiliverkossa. Neljännen sukupolven mobiiliverkko yhdistää perinteiset televerkkojen palvelut ja Internet palvelut sekä mahdollistaa uuden tyyppisten palveluiden luonnin. TCP/IP protokollien ja Internetin evoluutio on esitelty. Laajakaistaiset, lyhyen kantaman radiotekniikat joita käytetään langattomana yhteytenä Internetiin on käsitelty. Evoluutio kohti neljännen sukupolven mobiiliverkkoja on kuvattu esittelemällä vanhat, nykyiset ja tulevat mobiiliverkot sekä niiden palvelut. Ennustukset palveluiden ja markkinoiden tulevaisuuden kehityksestä on käsitelty. Neljännen sukupolven mobiiliverkon arkkitehtuuri mahdollistaa paikalliset palvelut jotka ovat saatavilla vain yhdessä paikallisessa 4G verkossa. Paikalliset palvelut voidaan muunnella jokaiselle käyttäjälle erikseen käyttäen profiili-informaatiota ja paikkatietoa. Työssä on pohdittu paikallisten palveluiden käyttökelpoisuutta ja mahdollisuuksia käyttäen Lappeenrannan teknillisen korkeakoulun 4G projektin palvelupilotin tuloksia.

Antennimittausjärjestelmän toteutus ja ominaisuuksien määrittäminen

Diplomityössä tarkasteltiin antennien säteilykuviomittauksiin käytettävien antennimittaratojen ominaisuuksia. Sovelletun elektroniikan laboratorion antennimittaradasta kehitettiin toimiva säteilykuvion mittausjärjestelmä, johon kuuluvat radiokaiuton kammio, suuntauskoneisto ja antennikannakkeet, HP 8720D -piirianalysaattori ja RF-kaapelointi sekä valmistutetut mitta-antennitorvet. Työssä vertailtiin koaksiaalikaapeleita ja valittiin antennimittaukseen soveltuvat. 1,70–2,60 GHz:n taajuusalueen mittastandardiksi suunniteltiin torviantenni, jonka kaksi prototyyppiä valmistutettiin konetekniikan osastolla. Torviantennien ominaisuudet mitattiin. Antennimittaradan ominaisuudet ja soveltuvuus erilaisiin antennimittauksiin selvitettiin sekä teoreettisesti että mittauksin.

Building an Access Network for Triple-Play Services

This final project was made for the Broadband department of TeliaSonera. This project gives an overview on how internet service provider might build an access network so that they can offer triple-play services. It also gives information on what equipment is needed and what is required from the access, aggregation and edge networks. The project starts by describing the triple-play service. Then it moves on to optical fiber cables, the network technology and network architecture. At the end of the project there is an example of the process and construction of the access network. It will give an overview of the total process and problems that a network planner might face during the planning phase of the project. It will give some indication on how one area is built from the start to finish. The conclusion of the project presents some points that must be taken into consideration when building an access network. The building of an access network has to be divided to a time span of eight to ten years, where one year is one phase in the project. One phase is divided into three parts; Selecting the areas and targets, Planning the areas and targets, and Documentation. The example area gives indication on the planning of an area. It is almost impossible to connect all targets at the same time. This means that the service provider has to complete the construction in two or three parts. The area is considered to be complete when more than 80% of the real estates have fiber.

Tietoliikenteen tulevaisuuden näkymiä - Etelä-Karjala 2018

Tekniikan kehitys menee vauhdilla eteenpäin ja uusi verkkotekniikoita syntyy koko ajan. Haasteita tuottavat sopivien verkkotekniikoiden löytäminen käyttöön tietylle alueelle ja joissakin tapauksissa joudutaan tyytymään kompromissiratkaisuihin. Lyhyen kantaman langattomat kommunikaatioteknologiat soveltuvat esimerkiksi haja-asutusalueille ja saaristoon, mikäli perinteisen kuidun vetäminen niille alueille ei ole mahdollista. Tässä työssä tuodaan esille niitä langallisia ja langattomia tekniikoita, jotka ovat tällä hetkellä tai tulevaisuudessa merkityksellisiä Etelä-Karjalan kannalta. Osa tekniikoista voi jäädä kokonaan pois käytöstä kymmenen vuoden sisällä tai ne voivat yhdistyä ja muuttaa muotoaan. Työn tuloksena syntyneen kartoituksen perusteella saadaan visio siitä, miltä Etelä-Karjalan tilanne näyttää vuonna 2018. Nyt on jo tiedossa Soneran puhelinlankaverkon alasajo lähivuosina ja kuidun vetäminen viemäriin viemäröintitöiden yhteydessä. Tulevaisuuden kaistankäyttötarpeet ja erilaisten palvelujen lisääntyminen edesauttavat viihdepalveluiden tarjonnan monipuolistumista. Open Access ja triple-play ovat tulevaisuuden termejä. Viihteen lisäksi myös muilla eri osa-alueilla kuten työelämässä, sairaaloissa ja kouluissa on tarvetta laajakaistaisille monipalveluille.

Power line communication in motor cables of variable-speed electric drives − analysis and

Data transmission between an electric motor and a frequency converter is required in variablespeed electric drives because of sensors installed at the motor. Sensor information can be used for various useful applications to improve the system reliability and its properties. Traditionally, the communication medium is implemented by an additional cabling. However, the costs of the traditional method may be an obstacle to the wider application of data transmission between a motor and a frequency converter. In any case, a power cable is always installed between a motor and a frequency converter for power supply, and hence it may be applied as a communication medium for sensor level data. This thesis considers power line communication (PLC) in inverter-fed motor power cables. The motor cable is studied as a communication channel in the frequency band of 100 kHz−30 MHz. The communication channel and noise characteristics are described. All the individual components included in a variable-speed electric drive are presented in detail. A channel model is developed, and it is verified by measurements. A theoretical channel information capacity analysis is carried out to estimate the opportunities of a communication medium. Suitable communication and forward error correction (FEC) methods are suggested. A general method to implement a broadband and Ethernet-based communication medium between a motor and a frequency converter is proposed. A coupling interface is also developed that allows to install the communication device safely to a three-phase inverter-fed motor power cable. Practical tests are carried out, and the results are analyzed. Possible applications for the proposed method are presented. A speed feedback motor control application is verified in detail by simulations and laboratory tests because of restrictions for the delay in the feedback loop caused by PLC. Other possible applications are discussed at a more general level.

On Transmission System Design for Wireless Broadcasting

This thesis considers aspects related to the design and standardisation of transmission systems for wireless broadcasting, comprising terrestrial and mobile reception. The purpose is to identify which factors influence the technical decisions and what issues could be better considered in the design process in order to assess different use cases, service scenarios and end-user quality. Further, the necessity of cross-layer optimisation for efficient data transmission is emphasised and means to take this into consideration are suggested. The work is mainly related terrestrial and mobile digital video broadcasting systems but many of the findings can be generalised also to other transmission systems and design processes. The work has led to three main conclusions. First, it is discovered that there are no sufficiently accurate error criteria for measuring the subjective perceived audiovisual quality that could be utilised in transmission system design. Means for designing new error criteria for mobile TV (television) services are suggested and similar work related to other services is recommended. Second, it is suggested that in addition to commercial requirements there should be technical requirements setting the frame work for the design process of a new transmission system. The technical requirements should include the assessed reception conditions, technical quality of service and service functionalities. Reception conditions comprise radio channel models, receiver types and antenna types. Technical quality of service consists of bandwidth, timeliness and reliability. Of these, the thesis focuses on radio channel models and errorcriteria (reliability) as two of the most important design challenges and provides means to optimise transmission parameters based on these. Third, the thesis argues that the most favourable development for wireless broadcasting would be a single system suitable for all scenarios of wireless broadcasting. It is claimed that there are no major technical obstacles to achieve this and that the recently published second generation digital terrestrial television broadcasting system provides a good basis. The challenges and opportunities of a universal wireless broadcasting system are discussed mainly from technical but briefly also from commercial and regulatory aspect

Pienitaajuinen radiosekoitin

Normaalisti radiovastaanottimet on luokiteltavissa suoriin vastaanottimiin ja superheterodynevastaanottimiin. Jälkimmäistä nimitetään tavallisesti supervastaanottimeksi. Molemman vastaanottimen oleellisiin osiin kuuluu antennin virityspiiri, supervastaanottimelle lisäksi paikallisoskillaattorin virityspiiri, mikä pitää virittää antennipiirin kanssa samanaikaisesti. Pienillä taajuuksilla, taajuudet luokassa kilo-Hertzejä tai pienemmillä, on antennipiirin viritys resonanssipiirin ominaisuuksista johtuen sitä kapeammalla kaistalla ja sitä hitaampaa mitä pienemmällä taajuudella vastaanotto tapahtuu. Lisäksi virityspiiri hyvyysluku Q on vaikea saada sopivaksi, mikäli viritys on muuten käytännöllinen, säädettävä resonanssipiiri. Vaadittaessa kiinteätaajuista viritystä on käytännöllistä hyödyntää sähkömekaanisia osia, siis keraamisia tai kvartsikiteitä. Koska kiteitten ja korkean hyvyysluvun piirin värähtely jatkuu useita värähtelyjaksoja ennen saapuneitten värähtelyjen sammumista, kestää myös kauan aikaa, ennen kuin värähtely piirissä on loppu. Pienitaajuinen resonanssipiiri saavuttaa maksimivirtansa hitaasti, jos hyvyysluku on iso, kun piiri alkaa johtaa resonanssitaajuista virtaa. Tässä työssä pyritään vastaanotinjärjestelyyn ongelmallisen, pientaajuisen virityspiirin käytön välttämiseksi. Toisena tavoitteena on saada aikaan vastaanotto siten, että tietty pienitaajuinen radiotaajuusalue voidaan kokonaisuudessaan vastaanottaa jatkuva-aikaisesti, ilman antennipiirin jatkuvaa virittämistä erillisille taajuuksille. Laaditaan kytkentä, joka mitoitetaan, simuloidaan ja mitataan.